螺螄殼里做出來的道場

  —新品發(fā)布：集成式小型化1x18磁光開關

  近日，由浦芮斯攻城獅和“青島工匠”們聯手打造的基于自由空間光學集成的1x18磁光開關新鮮出爐，即將飛翔在祖國大地上空。同事們建議我寫點啥，來說一說磁光開關的故事。

  對于大眾來說，可以說完全不知道光開關是什么東東?更不知道磁光開關是什么鬼?在說光開關之前，先說一下大家更加熟悉的電開關，我們每天晚上回家開燈時按動的裝在墻上的開關就是一個最基本的開關單元：1x2開關，俗稱為單刀雙擲開關。向上按將電流接通到上面的電線，向下按則將電流接通到下面的電線。

  而在通信領域，電信號交換的歷史應當追溯到電話出現的初期。在沒有手機，更沒有網絡的上古時期，老張為了方便約老王喝酒，于是在兩家之間拉了一根電線，這樣就可以隨時給老王打電話了。后來，老李又進群了，又分別拉了一條電話線到老張和老王家，最后老孫、老吳等越來越多的人加入了他們這個朋友圈。

  朋友圈越來越大，要新拉的電話線數量越來越多，經常出現聯系不到人的問題。于是，老胡站出來說，我家位置在中間，只需要在我家裝一個電話總機和一個大電路板，你們每家拉一根電話線到我家接到大電路板上，我兒子小胡負責接線。以后老王要找老張，他先打電話到我家的總機，跟小胡說到找老張;小胡用一根導線，一頭接在老王的電線，另一頭接到老張的電線上，這樣老王就能跟老張約喝酒的時間了，這不就更方便了嗎?這樣能少拉多少電話線呀!后來老胡的家就成了電話局，老胡也當上了電話局長，工具人小胡的每天的工作就是接線和拆線，就是電路上的“開”和“關”，相當于一個“人工開關”。小胡在天天接線中長大，小胡上大學后小胡的妹妹開始當接線員，下圖就是小胡妹妹工作時的圖片。

  小胡看妹妹每天干接線工作太辛苦，于是利用大學里面學的半導體和開關電路技術設計了一個電子設備代替人工接線，以后老王給老張打電話時，這個電子設備就可以根據預先設定的程序，自動將老王和老張電線接通，這就是“程控交換機”，其實稱為“程控開關”更合適。

  說完了電開關的事情，故事再說回我們的主題-磁光開關上來。后來，隨著越來越多的人要打電話，甚至還想要打視頻電話時，“程控開關”就不夠用了，換句話說信號帶寬就不夠了。這時，高錕提出使用更高頻的光波來承載信號，用透明的玻璃介質來傳輸光信號，從而發(fā)明了光纖和光纖通信技術。高錕也因此被人們稱為“光纖之父”，并獲得了諾貝爾獎!

  在光纖系統(tǒng)里面也要用到開關，開關接通和斷開的信號從電流換成了光信號，連接信號的電線換成了光纖，這就是光開關。最基本的光開關單元也是1x2結構，一路主線和兩路子線，光信號從主線連接其中一路子線。

  與早期的人工方式通過插拔電接頭來連接電信號類似，目前最常見的光開關還是通過機械移動部件的方式來實現光信號的連接和切換。通常是用一個繼電器，也是就初中物理里面學習到的電磁鐵來拉動一個光學棱鏡來回運動，利用棱鏡將光線偏折，從而實現了光信號的切換。

  這種機械式光開關產品技術原理與結構簡單，使用的零部件也少，生產制作難度低、成本和價格相對較低。但我們都知道，利用繼電器這個機械結構來切換，必然會面臨切換速度慢、長時間切換帶來的機械疲勞壽命等問題。了解浦芮斯光電的人都知道，我們浦芮斯從成立之初，即致力于設計開發(fā)和生產一種沒有任何機械運動的光開關，也就是我們的磁光開關。我們又是怎么做到的呢?下面這張圖片給大家展示光的折射的原理，我們看到鉛筆在水面上下分成兩段，原因是光在不同介質之間傳播時發(fā)生折射。

  如果我們將杯子里面的水換成晶體，會看到一種更奇妙的現象，一根鉛筆會分成兩根，這是因為光在晶體材料中會發(fā)生雙折射。利用晶體材料的雙折射現象，就可以將一束光分成兩束光，再用兩根光纖來接收，這就實現了第一步，相當于鋪好一分二的光路分岔口。下一步就是要控制光，讓光按我們控制的方向選擇相應的分岔口。

  晶體材料之所以能發(fā)生雙折射，是由于晶體材料的特殊性，晶體內部的質點(分子、原子或離子)整齊排列，而由于質點在上下、左右和前后之間排列間距不同，導致不同偏振方向的光在晶體內部跑的速度不同，從而形成雙折射。日常光線的偏振態(tài)是任意方向的，所以能看到兩束折射光。若將光纖的偏振方向控制到與晶體的質點排列方向相同，就能只看到一束折射光。比如說與質點排列的上下方向平行，就只有第一束光;而與左右方向平行，就只有第二束光。

  所以我們下一步要做的就是控制光線的偏振方向，并讓它根據我們的要求進行切換。這個里面，就輪到一號主角磁光晶體閃亮登場了。光線通過磁光晶體之后，光線的偏振方向就能旋轉一個角度q，并且取決于磁場方向。

  如果磁場B的方向是順向，那么光線的偏振方向就順時針轉角度q;而如果磁場方向是逆向，那么光線的偏振方向就逆時針轉角度q。這樣我們就可以通過電磁線圈來改變磁光晶體看到的磁場方向，從而改變入射光線的偏振方向，再與雙折射晶體結合，就能改變光線傳輸路線，實現光路切換;整個切換過程沒有任何機械運動，不需要扳動棱鏡或鏡子來切換了。

  講到這里，基本上就講清楚了磁光開關的基本原理了。過去十幾年，我們浦芮斯人每天就是與這些磁光晶體、雙折射晶體在打交道。在此基礎上開發(fā)了一系列不同類型的磁光開關和可調時延線產品。

  最近，這個產品家族又添了一個新成員，自由空間集成式小型化1x18磁光開關。

  這個新成員有什么過人之處，能受到大家的一致追捧，“墻裂”要求我們專門寫篇文章來給它慶生呢?正如我前面介紹的，一個磁光晶體只能出現兩個磁場狀態(tài)，而雙折射晶體一次也只能分兩個折射光，所以磁光開關的基本單元只能是一分二，稱為1x2開關。而要想實現更多路數的通道切換的話，就要采取一分二、二分四、四分八，這樣逐級遞推方式進行。在光電行業(yè)發(fā)展早期，如下圖所示，我們先制作1x2磁光開關，然后通過多個1x2磁光開關的光纖連接起來，從而形成1x8、1x16等多通道磁光開關。

  這種方式的優(yōu)點是核心產品類型統(tǒng)一、生產管理簡單，其弊端是產品尺寸較大、插入損耗偏大，其中插入損耗偏大的原因是每個1x2磁光開關單元都包括一組從輸入光纖與輸出光纖的光纖耦合，而以上圖例中的一個1x8磁光開關每路信號要經過三個1x2磁光開關，就要有三次光纖耦合。

  先不說插入損耗的問題，我們官宣的1x16磁光開關尺寸為：145 × 135 × 17.5mm，試想一下通過傳統(tǒng)的分立光纖器件級聯的方式，那這樣的1x18磁光開關體積會會有多大呢?所以在1x18磁光開關孕育之初，攻城獅們就冥思苦想有沒有辦法去掉中間的光纖連接，減少光纖耦合呢?這樣既能解決插損大的問題，又能將產品體積做得更小。功夫不負有心人，在日復一日的推演、論證和實驗中，攻城獅們終于找到了解決方案。如下圖，我們可以將多級磁光晶體和雙折射晶體全部都集成在一個光學平臺上，每路信號只有一對輸入和輸出光纖準直器。

  正因為這樣富有創(chuàng)意的設計，最終我們1x18磁光開關在插入損耗和尺寸方面都取得了驚人的突破，并且通道數越多，其優(yōu)勢越明顯!

  新舊產品的尺寸對比照片

  (左為級聯式1x16磁光開關，右上為集成式1x18磁光開關，右下為級聯式1x8磁光開關)

  以上就是我們1x18磁光開關的故事，這只是浦芮斯人腳踏實地、埋頭科研的一個小小縮影。公司創(chuàng)立至今二十余年來，我們與大家分享了許許多多的故事：從高掛天空的“天和號”，到穿山越嶺的橋梁隧道、隨風飛揚的風車和環(huán)游全球的互聯網高速，再到蔚藍的大海，都有我們浦芮斯的故事。

  我們的團隊正如公司名稱里面所希冀的那樣：“在水一方，興旺生長”，也亦如我們始終把用戶需求放在首位的初心一樣，相信我們一定會乘著夢想的星光，奔向更遠的地方!相信我們今后會有更多更精彩的故事來跟大家分享。最后，惟愿我們的技術越做越強，惟愿我們的團隊越來越棒，惟愿我們的國家繁榮富強!