螺螄殼里做出來(lái)的道場(chǎng)

  —新品發(fā)布：集成式小型化1x18磁光開(kāi)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(kāi)關(guān)新鮮出爐，即將飛翔在祖國大地上空。同事們建議我寫(xiě)點(diǎn)啥，來(lái)說(shuō)一說(shuō)磁光開(kāi)關(guān)的故事。

  對于大眾來(lái)說(shuō)，可以說(shuō)完全不知道光開(kāi)關(guān)是什么東東?更不知道磁光開(kāi)關(guān)是什么鬼?在說(shuō)光開(kāi)關(guān)之前，先說(shuō)一下大家更加熟悉的電開(kāi)關(guān)，我們每天晚上回家開(kāi)燈時(shí)按動(dòng)的裝在墻上的開(kāi)關(guān)就是一個(gè)最基本的開(kāi)關(guān)單元：1x2開(kāi)關(guān)，俗稱(chēng)為單刀雙擲開(kāi)關(guān)。向上按將電流接通到上面的電線(xiàn)，向下按則將電流接通到下面的電線(xiàn)。

  而在通信領(lǐng)域，電信號交換的歷史應當追溯到電話(huà)出現的初期。在沒(méi)有手機，更沒(méi)有網(wǎng)絡(luò )的上古時(shí)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(xiàn)，這樣就可以隨時(shí)給老王打電話(huà)了。后來(lái)，老李又進(jìn)群了，又分別拉了一條電話(huà)線(xiàn)到老張和老王家，最后老孫、老吳等越來(lái)越多的人加入了他們這個(gè)朋友圈。

  朋友圈越來(lái)越大，要新拉的電話(huà)線(xiàn)數量越來(lái)越多，經(jīng)常出現聯(lián)系不到人的問(wèn)題。于是，老胡站出來(lái)說(shuō)，我家位置在中間，只需要在我家裝一個(gè)電話(huà)總機和一個(gè)大電路板，你們每家拉一根電話(huà)線(xiàn)到我家接到大電路板上，我兒子小胡負責接線(xiàn)。以后老王要找老張，他先打電話(huà)到我家的總機，跟小胡說(shuō)到找老張;小胡用一根導線(xiàn)，一頭接在老王的電線(xiàn)，另一頭接到老張的電線(xiàn)上，這樣老王就能跟老張約喝酒的時(shí)間了，這不就更方便了嗎?這樣能少拉多少電話(huà)線(xiàn)呀!后來(lái)老胡的家就成了電話(huà)局，老胡也當上了電話(huà)局長(cháng)，工具人小胡的每天的工作就是接線(xiàn)和拆線(xiàn)，就是電路上的“開(kāi)”和“關(guān)”，相當于一個(gè)“人工開(kāi)關(guān)”。小胡在天天接線(xiàn)中長(cháng)大，小胡上大學(xué)后小胡的妹妹開(kāi)始當接線(xiàn)員，下圖就是小胡妹妹工作時(shí)的圖片。

  小胡看妹妹每天干接線(xiàn)工作太辛苦，于是利用大學(xué)里面學(xué)的半導體和開(kāi)關(guān)電路技術(shù)設計了一個(gè)電子設備代替人工接線(xiàn)，以后老王給老張打電話(huà)時(shí)，這個(gè)電子設備就可以根據預先設定的程序，自動(dòng)將老王和老張電線(xiàn)接通，這就是“程控交換機”，其實(shí)稱(chēng)為“程控開(kāi)關(guān)”更合適。

  說(shuō)完了電開(kāi)關(guān)的事情，故事再說(shuō)回我們的主題-磁光開(kāi)關(guān)上來(lái)。后來(lái)，隨著(zhù)越來(lái)越多的人要打電話(huà)，甚至還想要打視頻電話(huà)時(shí)，“程控開(kāi)關(guān)”就不夠用了，換句話(huà)說(shuō)信號帶寬就不夠了。這時(shí)，高錕提出使用更高頻的光波來(lái)承載信號，用透明的玻璃介質(zhì)來(lái)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(chēng)為“光纖之父”，并獲得了諾貝爾獎!

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

  與早期的人工方式通過(guò)插拔電接頭來(lái)連接電信號類(lèi)似，目前最常見(jiàn)的光開(kāi)關(guān)還是通過(guò)機械移動(dòng)部件的方式來(lái)實(shí)現光信號的連接和切換。通常是用一個(gè)繼電器，也是就初中物理里面學(xué)習到的電磁鐵來(lái)拉動(dòng)一個(gè)光學(xué)棱鏡來(lái)回運動(dòng)，利用棱鏡將光線(xiàn)偏折，從而實(shí)現了光信號的切換。

  這種機械式光開(kāi)關(guān)產(chǎn)品技術(shù)原理與結構簡(jiǎn)單，使用的零部件也少，生產(chǎn)制作難度低、成本和價(jià)格相對較低。但我們都知道，利用繼電器這個(gè)機械結構來(lái)切換，必然會(huì )面臨切換速度慢、長(cháng)時(shí)間切換帶來(lái)的機械疲勞壽命等問(wèn)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(kāi)發(fā)和生產(chǎn)一種沒(méi)有任何機械運動(dòng)的光開(kāi)關(guān)，也就是我們的磁光開(kāi)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(shí)發(fā)生折射。

  如果我們將杯子里面的水換成晶體，會(huì )看到一種更奇妙的現象，一根鉛筆會(huì )分成兩根，這是因為光在晶體材料中會(huì )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(lái)接收，這就實(shí)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(zhì)點(diǎn)(分子、原子或離子)整齊排列，而由于質(zhì)點(diǎn)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(xiàn)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(diǎn)排列方向相同，就能只看到一束折射光。比如說(shuō)與質(zhì)點(diǎn)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(xiàn)的偏振方向，并讓它根據我們的要求進(jìn)行切換。這個(gè)里面，就輪到一號主角磁光晶體閃亮登場(chǎng)了。光線(xiàn)通過(guò)磁光晶體之后，光線(xiàn)的偏振方向就能旋轉一個(gè)角度q，并且取決于磁場(chǎng)方向。

  如果磁場(chǎng)B的方向是順向，那么光線(xiàn)的偏振方向就順時(shí)針轉角度q;而如果磁場(chǎng)方向是逆向，那么光線(xiàn)的偏振方向就逆時(shí)針轉角度q。這樣我們就可以通過(guò)電磁線(xiàn)圈來(lái)改變磁光晶體看到的磁場(chǎng)方向，從而改變入射光線(xiàn)的偏振方向，再與雙折射晶體結合，就能改變光線(xiàn)傳輸路線(xiàn)，實(shí)現光路切換;整個(gè)切換過(guò)程沒(méi)有任何機械運動(dòng)，不需要扳動(dòng)棱鏡或鏡子來(lái)切換了。

  講到這里，基本上就講清楚了磁光開(kāi)關(guān)的基本原理了。過(guò)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(kāi)發(fā)了一系列不同類(lèi)型的磁光開(kāi)關(guān)和可調時(shí)延線(xiàn)產(chǎn)品。

  最近，這個(gè)產(chǎn)品家族又添了一個(gè)新成員，自由空間集成式小型化1x18磁光開(kāi)關(guān)。

  這個(gè)新成員有什么過(guò)人之處，能受到大家的一致追捧，“墻裂”要求我們專(zhuān)門(mén)寫(xiě)篇文章來(lái)給它慶生呢?正如我前面介紹的，一個(gè)磁光晶體只能出現兩個(gè)磁場(chǎng)狀態(tài)，而雙折射晶體一次也只能分兩個(gè)折射光，所以磁光開(kāi)關(guān)的基本單元只能是一分二，稱(chēng)為1x2開(kāi)關(guān)。而要想實(shí)現更多路數的通道切換的話(huà)，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(kāi)關(guān)，然后通過(guò)多個(gè)1x2磁光開(kāi)關(guān)的光纖連接起來(lái)，從而形成1x8、1x16等多通道磁光開(kāi)關(guān)。

  這種方式的優(yōu)點(diǎn)是核心產(chǎn)品類(lèi)型統一、生產(chǎn)管理簡(jiǎn)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(gè)1x2磁光開(kāi)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(gè)1x8磁光開(kāi)關(guān)每路信號要經(jīng)過(guò)三個(gè)1x2磁光開(kāi)關(guān)，就要有三次光纖耦合。

  先不說(shuō)插入損耗的問(wèn)題，我們官宣的1x16磁光開(kāi)關(guān)尺寸為：145 × 135 × 17.5mm，試想一下通過(guò)傳統的分立光纖器件級聯(lián)的方式，那這樣的1x18磁光開(kāi)關(guān)體積會(huì )會(huì )有多大呢?所以在1x18磁光開(kāi)關(guān)孕育之初，攻城獅們就冥思苦想有沒(méi)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(wèn)題，又能將產(chǎn)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(shí)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(gè)光學(xué)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(kāi)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(kāi)關(guān)，右上為集成式1x18磁光開(kāi)關(guān)，右下為級聯(lián)式1x8磁光開(kāi)關(guān))

  以上就是我們1x18磁光開(kāi)關(guān)的故事，這只是浦芮斯人腳踏實(shí)地、埋頭科研的一個(gè)小小縮影。公司創(chuàng )立至今二十余年來(lái)，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(chē)和環(huán)游全球的互聯(lián)網(wǎng)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(chēng)里面所希冀的那樣：“在水一方，興旺生長(cháng)”，也亦如我們始終把用戶(hù)需求放在首位的初心一樣，相信我們一定會(huì )乘著(zhù)夢(mèng)想的星光，奔向更遠的地方!相信我們今后會(huì )有更多更精彩的故事來(lái)跟大家分享。最后，惟愿我們的技術(shù)越做越強，惟愿我們的團隊越來(lái)越棒，惟愿我們的國家繁榮富強!