浦芮斯光电发布集成式小型化1x18磁光开关：螺蛳壳里做出来的道场

12/17/2021，光纤在线讯，近日，由浦芮斯攻城狮和“青岛工匠”们联手打造的基于自由空间光学集成的1x18磁光开关新鲜出炉，即将飞翔在祖国大地上空。普芮斯光电的工程师来讲一霁磁光开关的故事。

     对于大众来说，可以说完全不知道光开关是什么东东？更不知道磁光开关是什么鬼？在说光开关之前，先说一下大家更加熟悉的电开关，我们每天晚上回家开灯时按动的装在墙上的开关就是一个最基本的开关单元：1x2开关，俗称为单刀双掷开关。向上按将电流接通到上面的电线，向下按则将电流接通到下面的电线。

 

    而在通信领域，电信号交换的历史应当追溯到电话出现的初期。在没有手机，更没有网络的上古时期，老张为了方便约老王喝酒，于是在两家之间拉了一根电线，这样就可以随时给老王打电话了。后来，老李又进群了，又分别拉了一条电话线到老张和老王家，最后老孙、老吴等越来越多的人加入了他们这个朋友圈。

    朋友圈越来越大，要新拉的电话线数量越来越多，经常出现联系不到人的问题。于是，老胡站出来说，我家位置在中间，只需要在我家装一个电话总机和一个大电路板，你们每家拉一根电话线到我家接到大电路板上，我儿子小胡负责接线。以后老王要找老张，他先打电话到我家的总机，跟小胡说到找老张；小胡用一根导线，一头接在老王的电线，另一头接到老张的电线上，这样老王就能跟老张约喝酒的时间了，这不就更方便了吗？这样能少拉多少电话线呀！后来老胡的家就成了电话局，老胡也当上了电话局长，工具人小胡的每天的工作就是接线和拆线，就是电路上的“开”和“关”，相当于一个“人工开关”。小胡在天天接线中长大，小胡上大学后小胡的妹妹开始当接线员，下图就是小胡妹妹工作时的图片。



    小胡看妹妹每天干接线工作太辛苦，于是利用大学里面学的半导体和开关电路技术设计了一个电子设备代替人工接线，以后老王给老张打电话时，这个电子设备就可以根据预先设定的程序，自动将老王和老张电线接通，这就是“程控交换机”，其实称为“程控开关”更合适。

    说完了电开关的事情，故事再说回我们的主题-磁光开关上来。后来，随着越来越多的人要打电话，甚至还想要打视频电话时，“程控开关”就不够用了，换句话说信号带宽就不够了。这时，高锟提出使用更高频的光波来承载信号，用透明的玻璃介质来传输光信号，从而发明了光纤和光纤通信技术。高锟也因此被人们称为“光纤之父”，并获得了诺贝尔奖！

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    在光纤系统里面也要用到开关，开关接通和断开的信号从电流换成了光信号，连接信号的电线换成了光纤，这就是光开关。最基本的光开关单元也是1x2结构，一路主线和两路子线，光信号从主线连接其中一路子线。

    与早期的人工方式通过插拔电接头来连接电信号类似，目前最常见的光开关还是通过机械移动部件的方式来实现光信号的连接和切换。通常是用一个继电器，也是就初中物理里面学习到的电磁铁来拉动一个光学棱镜来回运动，利用棱镜将光线偏折，从而实现了光信号的切换。



    这种机械式光开关产品技术原理与结构简单，使用的零部件也少，生产制作难度低、成本和价格相对较低。但我们都知道，利用继电器这个机械结构来切换，必然会面临切换速度慢、长时间切换带来的机械疲劳寿命等问题。了解浦芮斯光电的人都知道，我们浦芮斯从成立之初，即致力于设计开发和生产一种没有任何机械运动的光开关，也就是我们的磁光开关。我们又是怎么做到的呢？下面这张图片给大家展示光的折射的原理，我们看到铅笔在水面上下分成两段，原因是光在不同介质之间传播时发生折射。




如果我们将杯子里面的水换成晶体，会看到一种更奇妙的现象，一根铅笔会分成两根，这是因为光在晶体材料中会发生双折射。利用晶体材料的双折射现象，就可以将一束光分成两束光，再用两根光纤来接收，这就实现了第一步，相当于铺好一分二的光路分岔口。下一步就是要控制光，让光按我们控制的方向选择相应的分岔口。



    晶体材料之所以能发生双折射，是由于晶体材料的特殊性，晶体内部的质点（分子、原子或离子）整齐排列，而由于质点在上下、左右和前后之间排列间距不同，导致不同偏振方向的光在晶体内部跑的速度不同，从而形成双折射。日常光线的偏振态是任意方向的，所以能看到两束折射光。若将光纤的偏振方向控制到与晶体的质点排列方向相同，就能只看到一束折射光。比如说与质点排列的上下方向平行，就只有第一束光；而与左右方向平行，就只有第二束光。

    所以我们下一步要做的就是控制光线的偏振方向，并让它根据我们的要求进行切换。这个里面，就轮到一号主角磁光晶体闪亮登场了。光线通过磁光晶体之后，光线的偏振方向就能旋转一个角度q，并且取决于磁场方向。



    如果磁场B的方向是顺向，那么光线的偏振方向就顺时针转角度q；而如果磁场方向是逆向，那么光线的偏振方向就逆时针转角度q。这样我们就可以通过电磁线圈来改变磁光晶体看到的磁场方向，从而改变入射光线的偏振方向，再与双折射晶体结合，就能改变光线传输路线，实现光路切换；整个切换过程没有任何机械运动，不需要扳动棱镜或镜子来切换了。

     讲到这里，基本上就讲清楚了磁光开关的基本原理了。过去十几年，我们浦芮斯人每天就是与这些磁光晶体、双折射晶体在打交道。在此基础上开发了一系列不同类型的磁光开关和可调时延线产品。



    最近，这个产品家族又添了一个新成员，自由空间集成式小型化1x18磁光开关。





这个新成员有什么过人之处，能受到大家的一致追捧，“墙裂”要求我们专门写篇文章来给它庆生呢？正如我前面介绍的，一个磁光晶体只能出现两个磁场状态，而双折射晶体一次也只能分两个折射光，所以磁光开关的基本单元只能是一分二，称为1x2开关。而要想实现更多路数的通道切换的话，就要采取一分二、二分四、四分八，这样逐级递推方式进行。在光电行业发展早期，如下图所示，我们先制作1x2磁光开关，然后通过多个1x2磁光开关的光纤连接起来，从而形成1x8、1x16等多通道磁光开关。



    这种方式的优点是核心产品类型统一、生产管理简单，其弊端是产品尺寸较大、插入损耗偏大，其中插入损耗偏大的原因是每个1x2磁光开关单元都包括一组从输入光纤与输出光纤的光纤耦合，而以上图例中的一个1x8磁光开关每路信号要经过三个1x2磁光开关，就要有三次光纤耦合。

    先不说插入损耗的问题，我们官宣的1x16磁光开关尺寸为：145 × 135 × 17.5mm，试想一下通过传统的分立光纤器件级联的方式，那这样的1x18磁光开关体积会会有多大呢？所以在1x18磁光开关孕育之初，攻城狮们就冥思苦想有没有办法去掉中间的光纤连接，减少光纤耦合呢？这样既能解决插损大的问题，又能将产品体积做得更小。功夫不负有心人，在日复一日的推演、论证和实验中，攻城狮们终于找到了解决方案。如下图，我们可以将多级磁光晶体和双折射晶体全部都集成在一个光学平台上，每路信号只有一对输入和输出光纤准直器。




    正因为这样富有创意的设计，最终我们1x18磁光开关在插入损耗和尺寸方面都取得了惊人的突破，并且通道数越多，其优势越明显！





新旧产品的尺寸对比照片
（左为级联式1x16磁光开关，右上为集成式1x18磁光开关，右下为级联式1x8磁光开关）

    以上就是我们1x18磁光开关的故事，这只是浦芮斯人脚踏实地、埋头科研的一个小小缩影。公司创立至今二十余年来，我们与大家分享了许许多多的故事：从高挂天空的“天和号”，到穿山越岭的桥梁隧道、随风飞扬的风车和环游全球的互联网高速，再到蔚蓝的大海，都有我们浦芮斯的故事。

    我们的团队正如公司名称里面所希冀的那样：“在水一方，兴旺生长”，也亦如我们始终把用户需求放在首位的初心一样，相信我们一定会乘着梦想的星光，奔向更远的地方！相信我们今后会有更多更精彩的故事来跟大家分享。最后，惟愿我们的技术越做越强，惟愿我们的团队越来越棒，惟愿我们的国家繁荣富强！