光開關(guān)作為光通信網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵器件，經(jīng)歷了從傳統(tǒng)機械式到現(xiàn)代MEMS微機電系統(tǒng)的重大技術(shù)演進。這一變革不僅大幅提升了光開關(guān)的性能指標，還推動了光通信網(wǎng)絡(luò)向高速、大容量、智能化方向發(fā)展。機械式光開關(guān)憑借其低插入損耗和高可靠性，在早期光網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中扮演了重要角色；而MEMS光開關(guān)則通過微機電技術(shù)與硅光子學(xué)的融合，實現(xiàn)了體積小型化、速度提升和大規(guī)模集成，成為當前光網(wǎng)絡(luò)升級的核心驅(qū)動力。本文將系統(tǒng)梳理光開關(guān)技術(shù)的演進歷程、性能對比、應(yīng)用領(lǐng)域變化及未來發(fā)展趨勢，為理解這一光通信基礎(chǔ)器件的發(fā)展提供全面視角。

一、機械式光開關(guān)：光通信網(wǎng)絡(luò)的奠基者

機械式光開關(guān)是光通信領(lǐng)域的早期技術(shù)，主要通過物理移動光纖、棱鏡或反射鏡來實現(xiàn)光路的切換。其核心優(yōu)勢在于插入損耗低(<1dB)、消光比高(>45dB)、無偏振敏感性，且與光纖耦合效率高，這些特性使其在早期光網(wǎng)絡(luò)保護倒換、光纖測試等場景中占據(jù)主導(dǎo)地位。機械式光開關(guān)根據(jù)驅(qū)動原理可分為三大類：棱鏡切換型、反射鏡切換型和光纖移動型。

棱鏡切換型光開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)是將光纖與準直器相連固定，通過移動棱鏡改變輸入輸出端口間的光路。這種結(jié)構(gòu)簡單可靠，但棱鏡的機械移動導(dǎo)致響應(yīng)時間較長(約2ms)，且難以實現(xiàn)大規(guī)模集成。反射鏡切換型光開關(guān)則通過控制反射鏡的進入或退出光路來實現(xiàn)直通或交叉狀態(tài)，當反射鏡未進入光路時，光開關(guān)處于直通狀態(tài)，光纖1的光進入光纖4，光纖2的光進入光纖3；當反射鏡處于兩光線交點位置時，光開關(guān)處于交叉狀態(tài)，光纖1的光進入光纖3，光纖2的光進入光纖4。反射鏡型光開關(guān)的插入損耗通常低于0.5dB，消光比可達45dB以上，但響應(yīng)時間在毫秒量級，且大端口擴展困難。光纖移動型光開關(guān)通過固定一端光纖，移動另一端光纖與固定光纖的不同端口相耦合實現(xiàn)切換，其特點是回波損耗低，但受溫度影響較大，且未形成真正意義上的商用化產(chǎn)品。

在歷史演進方面，機械式光開關(guān)在20世紀90年代至2000年代初成為光網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主流選擇。早期的機械光開關(guān)多采用繼電器+棱鏡組合方式，但金屬疲勞問題限制了其可靠工作次數(shù)(約10?量級)。隨著技術(shù)發(fā)展，2000年后出現(xiàn)了壓電陶瓷驅(qū)動和馬赫-曾德干涉儀方案，但因性能不足未被廣泛采用。2010年前后，機械式光開關(guān)在小端口(1×2、2×2)和成本敏感場景中仍保持主導(dǎo)地位，而國內(nèi)廠商如上海鴻輝光通科技股份有限公司在2016年前后仍以機械式光開關(guān)為主要產(chǎn)品，推動了透射型1×2、1×4、1×8光開關(guān)的商用化，這些產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)良、穩(wěn)定性高，贏得了市場認可。

在市場表現(xiàn)上，機械式光開關(guān)憑借成本優(yōu)勢(1×2型號約$50)和成熟工藝，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)維護領(lǐng)域仍具競爭力。據(jù)漢鼎咨詢公司預(yù)測，2005年機械式光開關(guān)約占市場1/4，2010年占比達1/2左右。當前機械式光開關(guān)主要應(yīng)用于光纖光柵壓力傳感解調(diào)系統(tǒng)、電力通信網(wǎng)絡(luò)保護倒換、光纖測試與監(jiān)測等場景，這些領(lǐng)域?qū)λ俣纫蟛桓叩珜煽啃砸髽O高。例如，在光纖光柵壓力傳感系統(tǒng)中，機械式光開關(guān)通過時分復(fù)用技術(shù)，可將同根光纖上光柵傳感節(jié)點反射的信號在時間上區(qū)分，從而實現(xiàn)系統(tǒng)可接入傳感節(jié)點數(shù)量的倍增，顯著降低系統(tǒng)成本。

科毅可提供的機械式光開關(guān)類型有1xN / 2x2 /1x1 / 1x2/ Dx2B等，如下所示，均屬于機械式光開關(guān)。

二、MEMS光開關(guān)：技術(shù)突破與性能飛躍

MEMS光開關(guān)是近年來光通信領(lǐng)域的重大創(chuàng)新，它通過將微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)與微光學(xué)、微機械技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了光開關(guān)的微型化、集成化和高速化。MEMS光開關(guān)的核心優(yōu)勢在于響應(yīng)速度快(微秒級)、體積小、集成度高，同時保持了低插損(≤2dB)、低串擾(≥50dB)和高消光比(>20dB)的性能指標，這些特性使其成為高速光網(wǎng)絡(luò)升級的理想選擇。

MEMS光開關(guān)的工作原理是在硅晶上刻出若干微小鏡片，通過靜電力或電磁力驅(qū)動微鏡產(chǎn)生升降、旋轉(zhuǎn)或移動，從而改變輸入光的傳播方向以實現(xiàn)光路通斷。根據(jù)功能實現(xiàn)方法，MEMS光開關(guān)可分為光路遮擋型、移動光纖對接型和微鏡反射型。其中微鏡反射型MEMS光開關(guān)因其便于集成和控制的特性，成為研究重點，進一步分為二維MEMS光開關(guān)和三維MEMS光開關(guān)。二維MEMS光開關(guān)的活動微鏡和光纖位于同一平面上，采用N2結(jié)構(gòu)方案，即對一個N×N光開關(guān)矩陣，需要N2個活動微鏡。例如，4×4光開關(guān)需要16個微鏡，8×8光開關(guān)則需要64個微鏡。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，但擴展性受限。三維MEMS光開關(guān)則通過兩組可繞軸改變傾斜角度的微反射鏡實現(xiàn)光束在三維空間的偏轉(zhuǎn)，對于N×N轉(zhuǎn)換僅需2N個反射鏡，大幅降低了微鏡數(shù)量需求，提高了擴展性。

在技術(shù)創(chuàng)新方面，MEMS光開關(guān)經(jīng)歷了多個里程碑式的發(fā)展。2005年，Wu等人首次報道了將MEMS執(zhí)行器與硅光子學(xué)結(jié)合的大規(guī)模光開關(guān)，實現(xiàn)了高端口數(shù)、低插入損耗的特性。2016年，64×64的MEMS驅(qū)動波導(dǎo)型光開關(guān)被率先報道，包含4096個開關(guān)單元，片上最大傳輸損耗為3.7dB，開關(guān)時間達0.91μs，串擾低于-60dB。2023年，浙江大學(xué)戴道鋅/李歡研究團隊創(chuàng)新性地提出了分離波導(dǎo)交叉(SWX)結(jié)構(gòu)，尺寸僅23μm×23μm，開關(guān)能耗低至0.42pJ，支持300nm帶寬，且完全兼容標準硅光流片工藝，這一突破為MEMS光開關(guān)的大規(guī)模集成鋪平了道路。此外，雙層梳齒驅(qū)動結(jié)構(gòu)的應(yīng)用使MEMS光開關(guān)的響應(yīng)時間縮短至0.627ms，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)機械式光開關(guān)。

在性能對比上，MEMS光開關(guān)與機械式光開關(guān)存在明顯差異。以1×N光開關(guān)為例，機械式光開關(guān)的插入損耗通常<1dB，但隨著端口數(shù)增加，需要通過級聯(lián)方式擴展，導(dǎo)致總體積增大、插入損耗增加和切換時間延長。例如，從1路到24路的切換，轉(zhuǎn)換時間可達150ms。相比之下，MEMS光開關(guān)采用單器件方式實現(xiàn)大端口擴展，如億源通的1×48 MEMS光開關(guān)，尺寸僅φ5.5×47mm，通道插損<1.5dB，TDL偏振損耗控制在0.4dB以內(nèi)，RL回波損耗>45dB，且使用壽命可達10億次，遠超機械式光開關(guān)的百萬次級壽命。

在應(yīng)用場景上，MEMS光開關(guān)已從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化，在數(shù)據(jù)中心、6G通信、衛(wèi)星激光通信等新興領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。例如，2024年億源通的1×48 MEMS光開關(guān)在數(shù)據(jù)中心光互連中得到廣泛應(yīng)用，支持1.6T光模塊的部署；浙江大學(xué)SWX結(jié)構(gòu)MEMS光開關(guān)在激光雷達(LiDAR)和光譜學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出超低損耗、超高速度的特性，為高精度傳感提供了解決方案；光隆科技的MEMS光開關(guān)應(yīng)用于防空導(dǎo)彈系統(tǒng)，實現(xiàn)了納秒級指令切換，顯著提升了系統(tǒng)的反應(yīng)速度。

科毅光通信可提供的MEMS光開關(guān)有MEMS 1×N光開關(guān) / MEMS 2×N光開關(guān)/ MEMS 2×2B光開關(guān)/ MEMS M×N光開關(guān)/ MEMS N×N矩陣光開關(guān)等，如下所示：

三、技術(shù)演進：從實驗室到產(chǎn)業(yè)化

光開關(guān)技術(shù)的演進經(jīng)歷了從實驗室研究到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的完整歷程，這一過程體現(xiàn)了材料科學(xué)、微加工技術(shù)和系統(tǒng)集成的協(xié)同發(fā)展。從1990年代的機械式光開關(guān)到2020年代的MEMS光開關(guān)，技術(shù)演進主要體現(xiàn)在材料選擇、驅(qū)動機制、集成度和性能指標四個方面。

在材料選擇上，早期機械式光開關(guān)主要采用金屬和玻璃材料，而MEMS光開關(guān)則轉(zhuǎn)向半導(dǎo)體材料，尤其是硅基材料。硅的高折射率差使其光器件尺寸非常緊湊，且CMOS兼容性使其能夠利用成熟的半導(dǎo)體制造工藝實現(xiàn)大規(guī)模集成。此外，III-V族半導(dǎo)體材料如磷化銦(InP)因其高電子遷移率(約1790 cm2/(V·s))和低吸收損耗特性，成為高速光開關(guān)的理想選擇。2025年，Nature Photonics發(fā)表的研究成果展示了基于InGaAsP/Si混合結(jié)構(gòu)的非厄米特系統(tǒng)光開關(guān)，實現(xiàn)了響應(yīng)時間低至100皮秒的超高速性能，標志著光開關(guān)技術(shù)正式邁入亞納秒時代。

在驅(qū)動機制上，機械式光開關(guān)主要依賴微電機、壓電陶瓷等宏觀驅(qū)動方式，而MEMS光開關(guān)則采用靜電驅(qū)動、電磁驅(qū)動等微尺度驅(qū)動技術(shù)。靜電梳齒驅(qū)動結(jié)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強、易于大規(guī)模集成的特性，成為MEMS光開關(guān)的主流驅(qū)動方式。例如，一種帶輔助電極的基于預(yù)置偏轉(zhuǎn)角方法的新型MEMS芯片，通過引入輔助電極，使芯片具有大偏轉(zhuǎn)角的同時，驅(qū)動電壓有效降低，適于用作光開關(guān)芯片。此外，2024年永嘉縣電力實業(yè)有限公司開發(fā)的基于GaN HEMT的高速高壓驅(qū)動電路，使光開關(guān)的響應(yīng)時間縮短至納秒級別，進一步提升了光開關(guān)的性能。

在集成度方面，機械式光開關(guān)受限于機械結(jié)構(gòu)，難以實現(xiàn)大規(guī)模集成，通常需要通過級聯(lián)方式擴展端口數(shù)，導(dǎo)致體積和功耗顯著增加。而MEMS光開關(guān)則通過微機電技術(shù)與硅光子學(xué)的融合，實現(xiàn)了高密度集成。例如，2023年報道的垂直絕熱耦合器(VACs)MEMS光開關(guān)，尺寸僅110μm×110μm，驅(qū)動電壓為65V，支持240×240和128×128的交叉矩陣，為大規(guī)模光互連提供了可能。2025年，浙江大學(xué)SWX結(jié)構(gòu)MEMS光開關(guān)已實現(xiàn)64×64陣列的商用化，并計劃推出128×128陣列，這將極大推動光網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模擴展。

在性能指標上，光開關(guān)技術(shù)經(jīng)歷了從低速、小端口到高速、大端口的演進。早期機械式光開關(guān)的切換時間在毫秒量級，而現(xiàn)代MEMS光開關(guān)已降至微秒甚至納秒量級。插入損耗方面，機械式光開關(guān)通常<1dB，MEMS光開關(guān)則在1-2dB范圍內(nèi)，且通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化仍在持續(xù)改善。消光比方面，機械式光開關(guān)可達45dB以上，MEMS光開關(guān)則普遍>20dB，滿足大多數(shù)應(yīng)用場景需求。2025年，基于SWX結(jié)構(gòu)的MEMS光開關(guān)在1420-1600nm波段實現(xiàn)了0.12-0.7dB的插入損耗和<-44dB的串擾，同時開關(guān)速度達到3.5μs，標志著MEMS光開關(guān)性能已接近甚至超越部分傳統(tǒng)機械式光開關(guān)。

四、成本結(jié)構(gòu)與市場接受度分析

光開關(guān)技術(shù)的演進不僅體現(xiàn)在性能提升上，也反映在成本結(jié)構(gòu)和市場接受度的變化上。機械式光開關(guān)憑借成熟工藝和低制造成本，在小端口市場保持主導(dǎo)地位；而MEMS光開關(guān)則通過規(guī)?；a(chǎn)和良率提升，逐步降低單位成本，拓展了在大端口和高速場景的應(yīng)用。

從成本結(jié)構(gòu)看，機械式光開關(guān)的單件成本較低(如1×2型號約$50)，但隨著端口數(shù)增加，級聯(lián)導(dǎo)致的系統(tǒng)總成本上升顯著。例如，構(gòu)建8×8光開關(guān)矩陣需要4個4×4機械光開關(guān)，每個4×4開關(guān)包含16個微鏡，總體積和功耗都較大。此外，機械式光開關(guān)的制造工藝相對簡單，無需復(fù)雜的半導(dǎo)體制造設(shè)備，適合小批量生產(chǎn)。然而，機械式光開關(guān)的長期維護成本較高，因為其機械部件容易磨損，壽命有限(約百萬次)。

MEMS光開關(guān)的初期研發(fā)成本較高，但隨著工藝成熟和良率提升，單位成本持續(xù)下降。國產(chǎn)6英寸InP襯底良率從60%提升至90%可使成本降低約50%，這將極大推動MEMS光開關(guān)的普及。以億源通的1×48 MEMS光開關(guān)為例，其尺寸與低通道單器件差異不大，但成本及指標優(yōu)勢明顯，目前已具備批量生產(chǎn)能力。根據(jù)材料[38]的市場分析，雖然MEMS光開關(guān)單價較高(如1×48型號約$300)，但其高集成度和長壽命特性使其長期維護成本更低，綜合經(jīng)濟效益更高。

在市場接受度方面，機械式光開關(guān)在2010年占全球市場50%以上，但在高速、大容量光網(wǎng)絡(luò)需求推動下，MEMS光開關(guān)的市場份額持續(xù)增長。據(jù)漢鼎咨詢公司預(yù)測，2025年MEMS光開關(guān)預(yù)計占全球市場約40%，主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、6G通信和衛(wèi)星激光通信等新興領(lǐng)域。國際廠商如JDSU、OPLINK等仍主導(dǎo)高端MEMS光開關(guān)市場，而國內(nèi)廠商如華芯晶電、億源通等通過國產(chǎn)化襯底和工藝優(yōu)化，正在縮小與國際廠商的差距。

從應(yīng)用場景看，機械式光開關(guān)在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)維護領(lǐng)域仍具競爭力，如光纖測試與監(jiān)測、光器件測試、電力通信網(wǎng)絡(luò)保護倒換等。而MEMS光開關(guān)則在新興領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)勢，如AI算力互連、6G通信、衛(wèi)星激光通信和光計算等。2025年，飛宇光纖推出的96通道WDM+毫秒級光開關(guān)，支持動態(tài)重構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)路徑，滿足英偉達1.6T網(wǎng)卡需求，標志著MEMS光開關(guān)在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用。

五、未來發(fā)展趨勢與潛在應(yīng)用場景

隨著光通信技術(shù)的快速發(fā)展，光開關(guān)技術(shù)正朝著更高性能、更低成本、更廣應(yīng)用的方向演進。未來光開關(guān)技術(shù)將主要沿著三大方向發(fā)展：與硅光子學(xué)的深度集成、超高速全光開關(guān)的商用化以及在新興領(lǐng)域的應(yīng)用拓展。

在技術(shù)路線方面，硅基光電子集成技術(shù)將成為光開關(guān)發(fā)展的主流方向。2.5D/3D集成(也被歸為光電共封裝(CPO)技術(shù))是縮短互連長度、減小芯片尺寸從而減小寄生效應(yīng)、提高集成密度和減小功耗的最具潛力的方案。2.5D集成將PIC和EIC都通過倒裝鍵合方式集成在轉(zhuǎn)接板上，通過轉(zhuǎn)接板上的金屬布線實現(xiàn)互連；3D集成則將PIC直接作為轉(zhuǎn)接板，實現(xiàn)與EIC的垂直互連。這種集成方式將使光開關(guān)的尺寸、重量和成本進一步下降，功耗也隨之降低。曦智科技在2022年實現(xiàn)的512通道硅光互連系統(tǒng)，能在1ns內(nèi)完成多個計算核之間”All-to-All”的數(shù)據(jù)廣播，展示了光開關(guān)在光互連領(lǐng)域的巨大潛力。

全光開關(guān)的商用化也將是未來重要趨勢。目前，基于電光效應(yīng)、熱光效應(yīng)等的非機械式光開關(guān)已實現(xiàn)納秒甚至皮秒級響應(yīng)速度，但插入損耗和串擾問題仍需解決。2025年Nature Photonics發(fā)表的100皮秒級InGaAsP/Si混合結(jié)構(gòu)光開關(guān)，以及2011年實驗實現(xiàn)的10ps級高速光開關(guān)，為全光開關(guān)的商用化提供了技術(shù)基礎(chǔ)。推薦閱讀《InP光開關(guān)新突破！Nature Photonics發(fā)布100皮秒級超高速光開關(guān)技術(shù)》未來全光開關(guān)有望在量子通信、光計算等對速度要求極高的領(lǐng)域得到應(yīng)用。

在應(yīng)用場景拓展方面，光開關(guān)技術(shù)將在以下新興領(lǐng)域發(fā)揮重要作用：

首先，在量子通信領(lǐng)域，光開關(guān)將用于構(gòu)建安全的量子交換網(wǎng)絡(luò)平臺。通過光開關(guān)量子交換器，可以在量子通信網(wǎng)絡(luò)的信源、信宿之間建立光子鏈路，為雙方通信提供量子通道。2020年中國研究的量子交換機模塊已應(yīng)用于電力通信領(lǐng)域，通過”一次一密”方式在主站與終端之間提供無線安全通信鏈路，確?？刂浦噶钤趥鬏敃r不被破解、不可竊聽。2023年印度科學(xué)家提出的量子開關(guān)應(yīng)用方案，展示了其在量子隨機訪問碼、量子操控等信息任務(wù)中的潛力。

其次，在生物傳感領(lǐng)域，光開關(guān)將支持更高效的多目標檢測系統(tǒng)。基于偶氮苯衍生物的光開關(guān)分子探針可用于細胞膜離子通道調(diào)控，如K?通道的光控開關(guān)，為生物醫(yī)學(xué)研究提供工具。此外，光開關(guān)可用于SPR(表面等離子體共振)傳感器系統(tǒng)，通過動態(tài)切換檢測通道，實現(xiàn)多目標污染物的實時監(jiān)測，檢測限可達納克級。

第三，在光計算與AI芯片領(lǐng)域，光開關(guān)將推動低延遲、高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸。曦智科技的512通道硅光互連系統(tǒng)展示了光開關(guān)在光計算架構(gòu)中的核心地位，其1ns級的延遲響應(yīng)將極大提升算力效率。隨著AI訓(xùn)練模型參數(shù)量的爆發(fā)增長，傳統(tǒng)銅線互連已無法滿足超大數(shù)據(jù)中心對延遲與帶寬的要求，光開關(guān)成為構(gòu)建可重構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)(ROADM)、實現(xiàn)片間/板間光互連的關(guān)鍵器件。

最后，在海島電力網(wǎng)絡(luò)等特殊場景，光開關(guān)將提升系統(tǒng)的安全性和可靠性。舟山電力公司已投運量子開關(guān)273臺，覆蓋93條架空線路，實現(xiàn)了故障精準定位及隔離，將故障處置時間從小時級縮短至分鐘級，顯著提升了供電可靠性至99.9912%。這種基于”4G+量子”或”5G+量子”技術(shù)的光開關(guān)應(yīng)用，為海島配網(wǎng)”全自愈”建設(shè)提供了有力支撐。

六、結(jié)論與展望

從機械到MEMS的光開關(guān)技術(shù)演進，不僅提升了光網(wǎng)絡(luò)的性能指標，還推動了光通信向智能化、高速化、大容量方向發(fā)展。機械式光開關(guān)憑借低插損和高可靠性，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)維護領(lǐng)域仍具競爭力；而MEMS光開關(guān)則通過微機電技術(shù)與硅光子學(xué)的融合，實現(xiàn)了體積小型化、速度提升和大規(guī)模集成，成為當前光網(wǎng)絡(luò)升級的核心驅(qū)動力。

未來，隨著硅基光電子集成技術(shù)的成熟和全光開關(guān)的商用化，光開關(guān)將在更多新興領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，光開關(guān)將支持AI算力互連，降低數(shù)據(jù)傳輸延遲；在6G通信領(lǐng)域，光開關(guān)將工作在太

選擇合適的光開關(guān)是一項需要綜合考量技術(shù)、性能、成本和供應(yīng)商實力的工作。希望本指南能為您提供清晰的思路。我們建議您在明確自身需求后，詳細對比關(guān)鍵參數(shù)，并優(yōu)先選擇像科毅光通信這樣技術(shù)扎實、質(zhì)量可靠、服務(wù)專業(yè)的合作伙伴。

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