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(guān)

  近日，由浦芮斯攻城獅和“青島工匠”們聯(lián)手打造的基于自由空間光學(xué)集成的1x18磁光開關(guān)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(guān)的故事。

  對于大眾來說，可以說完全不知道光開關(guān)是什么東東?更不知道磁光開關(guān)是什么鬼?在說光開關(guān)之前，先說一下大家更加熟悉的電開關(guān)，我們每天晚上回家開燈時按動的裝在墻上的開關(guān)就是一個最基本的開關(guān)單元：1x2開關(guān)，俗稱為單刀雙擲開關(guān)。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(lǐng)域，電信號交換的歷史應(yīng)當(dāng)追溯到電話出現(xiàn)的初期。在沒有手機(jī)，更沒有網(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(shù)量越來越多，經(jīng)常出現(xiàn)聯(lián)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(jī)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(fù)責(zé)接線。以后老王要找老張，他先打電話到我家的總機(jī)，跟小胡說到找老張;小胡用一根導(dǎo)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(dāng)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(guān)”，相當(dāng)于一個“人工開關(guān)”。小胡在天天接線中長大，小胡上大學(xué)后小胡的妹妹開始當(dāng)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(xué)里面學(xué)的半導(dǎo)體和開關(guān)電路技術(shù)設(shè)計了一個電子設(shè)備代替人工接線，以后老王給老張打電話時，這個電子設(shè)備就可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序，自動將老王和老張電線接通，這就是“程控交換機(jī)”，其實稱為“程控開關(guān)”更合適。

  說完了電開關(guān)的事情，故事再說回我們的主題-磁光開關(guān)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(guān)”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(zhì)來傳輸光信號，從而發(fā)明了光纖和光纖通信技術(shù)。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(guān)，開關(guān)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(guān)。最基本的光開關(guān)單元也是1x2結(jié)構(gòu)，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(guān)還是通過機(jī)械移動部件的方式來實現(xiàn)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(xué)習(xí)到的電磁鐵來拉動一個光學(xué)棱鏡來回運動，利用棱鏡將光線偏折，從而實現(xiàn)了光信號的切換。

  這種機(jī)械式光開關(guān)產(chǎn)品技術(shù)原理與結(jié)構(gòu)簡單，使用的零部件也少，生產(chǎn)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(jī)械結(jié)構(gòu)來切換，必然會面臨切換速度慢、長時間切換帶來的機(jī)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(shè)計開發(fā)和生產(chǎn)一種沒有任何機(jī)械運動的光開關(guān)，也就是我們的磁光開關(guān)。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(zhì)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)了第一步，相當(dāng)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(yīng)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(nèi)部的質(zhì)點(分子、原子或離子)整齊排列，而由于質(zhì)點在上下、左右和前后之間排列間距不同，導(dǎo)致不同偏振方向的光在晶體內(nèi)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(zhì)點排列方向相同，就能只看到一束折射光。比如說與質(zhì)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(jù)我們的要求進(jìn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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?nèi)肷涔饩€的偏振方向，再與雙折射晶體結(jié)合，就能改變光線傳輸路線，實現(xiàn)光路切換;整個切換過程沒有任何機(jī)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(guān)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(chǔ)上開發(fā)了一系列不同類型的磁光開關(guān)和可調(diào)時延線產(chǎn)品。

  最近，這個產(chǎn)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(guān)。

  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(xiàn)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(guān)的基本單元只能是一分二，稱為1x2開關(guān)。而要想實現(xiàn)更多路數(shù)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(jìn)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(guān)，然后通過多個1x2磁光開關(guān)的光纖連接起來，從而形成1x8、1x16等多通道磁光開關(guān)。

  這種方式的優(yōu)點是核心產(chǎn)品類型統(tǒng)一、生產(chǎn)管理簡單，其弊端是產(chǎn)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(guān)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(guān)每路信號要經(jīng)過三個1x2磁光開關(guān)，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(guān)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(lián)的方式，那這樣的1x18磁光開關(guān)體積會會有多大呢?所以在1x18磁光開關(guān)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(chǎn)品體積做得更小。功夫不負(fù)有心人，在日復(fù)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(xué)平臺上，每路信號只有一對輸入和輸出光纖準(zhǔn)直器。

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

  新舊產(chǎn)品的尺寸對比照片

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

  以上就是我們1x18磁光開關(guān)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(fēng)飛揚的風(fēng)車和環(huán)游全球的互聯(lián)網(wǎng)高速，再到蔚藍(lán)的大海，都有我們浦芮斯的故事。

  我們的團(tuán)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(yuǎn)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(shù)越做越強，惟愿我們的團(tuán)隊越來越棒，惟愿我們的國家繁榮富強!