我们离“无需校准”的光开关还有多远？硅基MZI技术的破局之路

2025-12-09

每年，全球数据量的增长曲线都在变得更加陡峭。我们手机里的视频、云端不断训练的AI模型、工厂里流动的传感器信息，所有这些都在逼迫着数据传输网络进行一场静默的革命。作为这场革命的核心物理层器件，光开关的性能，直接决定着数据“立交桥”的效率和容量。

传统的马赫-曾德尔干涉仪（MZI）光开关有个“老毛病”：由于纳米级的制造误差几乎无法避免，每个开关单元在出厂时，其“开”和“关”的初始状态都会偏离设计值。这听起来似乎只是个小小的偏差，但当你要把成千上万个这样的单元集成到一块芯片上，组成一个大规模光交换阵列时，问题就变得无比棘手。工程师不得不为每一个单元配备监控探测器和额外的加热电极，实时进行相位补偿。这不仅让控制系统复杂得像一团乱麻，更带来了巨大的额外功耗和光信号损耗。可以说，“校准”二字，成了束缚大规模光开关阵列发展的最大枷锁。

那么，能否打造一种天生就“规整”，几乎不需要校准的光开关单元呢？我们的研究给出了一条清晰的路径：核心思路是“展宽波导，驯服光场”。

(一)从“纤细”到“宽厚”：让波导对误差不再敏感

想象一下，在一条狭窄的小巷里，墙壁上的一点凹凸都会让行人感到局促；而在一条宽阔的大道上，同样的凹凸则几乎无法被察觉。传统硅光波导就像那条小巷，宽度通常在500纳米以下，相当于头发丝的百分之一。如此微小的尺寸下，侧壁哪怕只有几个原子的粗糙起伏，都会显著改变光传播的相位，这就是“随机相位误差”的主要来源。

我们的突破在于，大胆地将MZI干涉臂中关键的“相移区”波导宽度，从传统的450纳米，增加到了1微米甚至2微米。同时，将其长度从几百微米大幅缩短至30微米。这样做的好处是双重的：第一，更宽的波导使得光场分布更加“舒展”

，对侧壁的局部变化变得不敏感；第二，更短的长度意味着即便有误差，累积的效应也大大减小。

宽波导结构显微图-广西科毅光通信

2微米宽相移区波导的MZI结构显微镜图

理论计算令人振奋：仅仅通过这一项改变，开关单元对宽度制造误差的敏感度（即归一化相位误差）就能降低一到两个数量级。实验数据更是有力地支撑了这一点：我们对上百个不同宽度的开关单元进行了测试统计，发现将相移区拓宽至2微米后，其随机相位误差的平均值和波动范围，分别降至传统设计的约1/375和1/11。这意味着，大部分开关在制造完成后，其初始状态就已经非常接近理想的“开”或“关”，所需的校准功耗微乎其微。

(二)弯曲处的艺术：欧拉曲线与模场滤波

然而，一个完整的MZI开关单元不仅仅只有相移区。连接分束器的弯曲波导（S-bend）往往很长，是另一个误差积累的“重灾区”。而且，当我们把相移区拓宽后，如果连接它的仍然是传统的单模弯曲波导，就会形成“宽-窄-宽”的瓶颈，不仅引入损耗，还可能激发我们不希望的高阶模式光，导致串扰恶化。

为此，我们设计了一种独特的“宽度渐变欧拉弯曲波导”。欧拉曲线是一种曲率连续变化的曲线，常用于高速公路的设计，能让车辆平滑过渡。我们将其应用于光波导，并让波导的宽度也从起始端到末端平滑渐变。这样设计出的S弯，不仅自身非常紧凑（面积仅约9x9微米²），而且光在其中传输非常顺畅，损耗极低。

欧拉弯曲波导开关结构-广西科毅光通信

基于欧拉弯曲波导的低随机相位误差开关单元结构示意图

但问题又来了：宽波导可以支持多个模式，从前面多模干涉耦合器（MMI）泄露过来的一点点高阶模，在宽波导里可能“如鱼得水”，跑到输出端造成干扰。我们的解决办法颇为巧妙：在欧拉弯曲的一个特定位置，引入一段非常靠近的、宽度不同的“伴侣波导”，构成一个非对称的定向耦合器。这个结构对基模光几乎没影响，却能将偷偷溜进来的高阶模巧妙地“勾走”，耦合到旁边的波导中耗散掉。这样一来，我们就实现了“低误差”和“低串扰”的兼得。

(三)迈向“无校准”阵列：从单元到系统

基于上述的低随机相位误差单元，我们首次在实验上成功搭建并测试了无需初始校准的4×4、8×8乃至16×16 MZI光开关阵列。这标志着，复杂的外部反馈控制系统可以被极大简化。

以4x4阵列为例，在完全不施加任何校准电压的“出厂状态”下，其所有通道的插入损耗约为3dB，串扰优于-20dB。当我们给所有开关单元施加一个统一的、标准的切换电压，使其全部切换到另一个状态时，性能依然保持稳定。更令人鼓舞的是，我们成功通过该阵列实现了30Gbps的高速数据路由切换，眼图清晰张开，证明了其在真实系统中的实用性。

阵列传输光谱-广西科毅光通信