光开关作为光通信网络中的关键器件，经历了从传统机械式到现代MEMS微机电系统的重大技术演进。这一变革不仅大幅提升了光开关的性能指标，还推动了光通信网络向高速、大容量、智能化方向发展。机械式光开关凭借其低插入损耗和高可靠性，在早期光网络建设中扮演了重要角色；而MEMS光开关则通过微机电技术与硅光子学的融合，实现了体积小型化、速度提升和大规模集成，成为当前光网络升级的核心驱动力。本文将系统梳理光开关技术的演进历程、性能对比、应用领域变化及未来发展趋势，为理解这一光通信基础器件的发展提供全面视角。

一、机械式光开关：光通信网络的奠基者

机械式光开关是光通信领域的早期技术，主要通过物理移动光纤、棱镜或反射镜来实现光路的切换。其核心优势在于插入损耗低(<1dB)、消光比高(>45dB)、无偏振敏感性，且与光纤耦合效率高，这些特性使其在早期光网络保护倒换、光纤测试等场景中占据主导地位。机械式光开关根据驱动原理可分为三大类：棱镜切换型、反射镜切换型和光纤移动型。

棱镜切换型光开关的基本结构是将光纤与准直器相连固定，通过移动棱镜改变输入输出端口间的光路。这种结构简单可靠，但棱镜的机械移动导致响应时间较长(约2ms)，且难以实现大规模集成。反射镜切换型光开关则通过控制反射镜的进入或退出光路来实现直通或交叉状态，当反射镜未进入光路时，光开关处于直通状态，光纤1的光进入光纤4，光纤2的光进入光纤3；当反射镜处于两光线交点位置时，光开关处于交叉状态，光纤1的光进入光纤3，光纤2的光进入光纤4。反射镜型光开关的插入损耗通常低于0.5dB，消光比可达45dB以上，但响应时间在毫秒量级，且大端口扩展困难。光纤移动型光开关通过固定一端光纤，移动另一端光纤与固定光纤的不同端口相耦合实现切换，其特点是回波损耗低，但受温度影响较大，且未形成真正意义上的商用化产品。

在历史演进方面，机械式光开关在20世纪90年代至2000年代初成为光网络建设的主流选择。早期的机械光开关多采用继电器+棱镜组合方式，但金属疲劳问题限制了其可靠工作次数(约10⁴量级)。随着技术发展，2000年后出现了压电陶瓷驱动和马赫-曾德干涉仪方案，但因性能不足未被广泛采用。2010年前后，机械式光开关在小端口(1×2、2×2)和成本敏感场景中仍保持主导地位，而国内厂商如上海鸿辉光通科技股份有限公司在2016年前后仍以机械式光开关为主要产品，推动了透射型1×2、1×4、1×8光开关的商用化，这些产品结构紧凑、性能优良、稳定性高，赢得了市场认可。

在市场表现上，机械式光开关凭借成本优势(1×2型号约$50)和成熟工艺，在传统网络维护领域仍具竞争力。据汉鼎咨询公司预测，2005年机械式光开关约占市场1/4，2010年占比达1/2左右。当前机械式光开关主要应用于光纤光栅压力传感解调系统、电力通信网络保护倒换、光纤测试与监测等场景，这些领域对速度要求不高但对可靠性要求极高。例如，在光纤光栅压力传感系统中，机械式光开关通过时分复用技术，可将同根光纤上光栅传感节点反射的信号在时间上区分，从而实现系统可接入传感节点数量的倍增，显著降低系统成本。

科毅可提供的机械式光开关类型有1xN / 2x2 /1x1 / 1x2/ Dx2B等，如下所示，均属于机械式光开关。

二、MEMS光开关：技术突破与性能飞跃

MEMS光开关是近年来光通信领域的重大创新，它通过将微机电系统(MEMS)技术与微光学、微机械技术相结合，实现了光开关的微型化、集成化和高速化。MEMS光开关的核心优势在于响应速度快(微秒级)、体积小、集成度高，同时保持了低插损(≤2dB)、低串扰(≥50dB)和高消光比(>20dB)的性能指标，这些特性使其成为高速光网络升级的理想选择。

MEMS光开关的工作原理是在硅晶上刻出若干微小镜片，通过静电力或电磁力驱动微镜产生升降、旋转或移动，从而改变输入光的传播方向以实现光路通断。根据功能实现方法，MEMS光开关可分为光路遮挡型、移动光纤对接型和微镜反射型。其中微镜反射型MEMS光开关因其便于集成和控制的特性，成为研究重点，进一步分为二维MEMS光开关和三维MEMS光开关。二维MEMS光开关的活动微镜和光纤位于同一平面上，采用N²结构方案，即对一个N×N光开关矩阵，需要N²个活动微镜。例如，4×4光开关需要16个微镜，8×8光开关则需要64个微镜。这种结构设计简单，但扩展性受限。三维MEMS光开关则通过两组可绕轴改变倾斜角度的微反射镜实现光束在三维空间的偏转，对于N×N转换仅需2N个反射镜，大幅降低了微镜数量需求，提高了扩展性。

在技术创新方面，MEMS光开关经历了多个里程碑式的发展。2005年，Wu等人首次报道了将MEMS执行器与硅光子学结合的大规模光开关，实现了高端口数、低插入损耗的特性。2016年，64×64的MEMS驱动波导型光开关被率先报道，包含4096个开关单元，片上最大传输损耗为3.7dB，开关时间达0.91μs，串扰低于-60dB。2023年，浙江大学戴道锌/李欢研究团队创新性地提出了分离波导交叉(SWX)结构，尺寸仅23μm×23μm，开关能耗低至0.42pJ，支持300nm带宽，且完全兼容标准硅光流片工艺，这一突破为MEMS光开关的大规模集成铺平了道路。此外，双层梳齿驱动结构的应用使MEMS光开关的响应时间缩短至0.627ms，显著优于传统机械式光开关。

在性能对比上，MEMS光开关与机械式光开关存在明显差异。以1×N光开关为例，机械式光开关的插入损耗通常<1dB，但随着端口数增加，需要通过级联方式扩展，导致总体积增大、插入损耗增加和切换时间延长。例如，从1路到24路的切换，转换时间可达150ms。相比之下，MEMS光开关采用单器件方式实现大端口扩展，如亿源通的1×48 MEMS光开关，尺寸仅φ5.5×47mm，通道插损<1.5dB，TDL偏振损耗控制在0.4dB以内，RL回波损耗>45dB，且使用寿命可达10亿次，远超机械式光开关的百万次级寿命。

在应用场景上，MEMS光开关已从实验室走向产业化，在数据中心、6G通信、卫星激光通信等新兴领域展现出巨大潜力。例如，2024年亿源通的1×48 MEMS光开关在数据中心光互连中得到广泛应用，支持1.6T光模块的部署；浙江大学SWX结构MEMS光开关在激光雷达(LiDAR)和光谱学领域展现出超低损耗、超高速度的特性，为高精度传感提供了解决方案；光隆科技的MEMS光开关应用于防空导弹系统，实现了纳秒级指令切换，显著提升了系统的反应速度。

科毅光通信可提供的MEMS光开关有MEMS 1×N光开关 / MEMS 2×N光开关/ MEMS 2×2B光开关/ MEMS M×N光开关/ MEMS N×N矩阵光开关等，如下所示：

三、技术演进：从实验室到产业化

光开关技术的演进经历了从实验室研究到产业化应用的完整历程，这一过程体现了材料科学、微加工技术和系统集成的协同发展。从1990年代的机械式光开关到2020年代的MEMS光开关，技术演进主要体现在材料选择、驱动机制、集成度和性能指标四个方面。

在材料选择上，早期机械式光开关主要采用金属和玻璃材料，而MEMS光开关则转向半导体材料，尤其是硅基材料。硅的高折射率差使其光器件尺寸非常紧凑，且CMOS兼容性使其能够利用成熟的半导体制造工艺实现大规模集成。此外，III-V族半导体材料如磷化铟(InP)因其高电子迁移率(约1790 cm²/(V·s))和低吸收损耗特性，成为高速光开关的理想选择。2025年，Nature Photonics发表的研究成果展示了基于InGaAsP/Si混合结构的非厄米特系统光开关，实现了响应时间低至100皮秒的超高速性能，标志着光开关技术正式迈入亚纳秒时代。

在驱动机制上，机械式光开关主要依赖微电机、压电陶瓷等宏观驱动方式，而MEMS光开关则采用静电驱动、电磁驱动等微尺度驱动技术。静电梳齿驱动结构因其结构简单、鲁棒性强、易于大规模集成的特性，成为MEMS光开关的主流驱动方式。例如，一种带辅助电极的基于预置偏转角方法的新型MEMS芯片，通过引入辅助电极，使芯片具有大偏转角的同时，驱动电压有效降低，适于用作光开关芯片。此外，2024年永嘉县电力实业有限公司开发的基于GaN HEMT的高速高压驱动电路，使光开关的响应时间缩短至纳秒级别，进一步提升了光开关的性能。

在集成度方面，机械式光开关受限于机械结构，难以实现大规模集成，通常需要通过级联方式扩展端口数，导致体积和功耗显著增加。而MEMS光开关则通过微机电技术与硅光子学的融合，实现了高密度集成。例如，2023年报道的垂直绝热耦合器(VACs)MEMS光开关，尺寸仅110μm×110μm，驱动电压为65V，支持240×240和128×128的交叉矩阵，为大规模光互连提供了可能。2025年，浙江大学SWX结构MEMS光开关已实现64×64阵列的商用化，并计划推出128×128阵列，这将极大推动光网络的规模扩展。

在性能指标上，光开关技术经历了从低速、小端口到高速、大端口的演进。早期机械式光开关的切换时间在毫秒量级，而现代MEMS光开关已降至微秒甚至纳秒量级。插入损耗方面，机械式光开关通常<1dB，MEMS光开关则在1-2dB范围内，且通过结构优化仍在持续改善。消光比方面，机械式光开关可达45dB以上，MEMS光开关则普遍>20dB，满足大多数应用场景需求。2025年，基于SWX结构的MEMS光开关在1420-1600nm波段实现了0.12-0.7dB的插入损耗和<-44dB的串扰，同时开关速度达到3.5μs，标志着MEMS光开关性能已接近甚至超越部分传统机械式光开关。

四、成本结构与市场接受度分析

光开关技术的演进不仅体现在性能提升上，也反映在成本结构和市场接受度的变化上。机械式光开关凭借成熟工艺和低制造成本，在小端口市场保持主导地位；而MEMS光开关则通过规模化生产和良率提升，逐步降低单位成本，拓展了在大端口和高速场景的应用。

从成本结构看，机械式光开关的单件成本较低(如1×2型号约$50)，但随着端口数增加，级联导致的系统总成本上升显著。例如，构建8×8光开关矩阵需要4个4×4机械光开关，每个4×4开关包含16个微镜，总体积和功耗都较大。此外，机械式光开关的制造工艺相对简单，无需复杂的半导体制造设备，适合小批量生产。然而，机械式光开关的长期维护成本较高，因为其机械部件容易磨损，寿命有限(约百万次)。

MEMS光开关的初期研发成本较高，但随着工艺成熟和良率提升，单位成本持续下降。国产6英寸InP衬底良率从60%提升至90%可使成本降低约50%，这将极大推动MEMS光开关的普及。以亿源通的1×48 MEMS光开关为例，其尺寸与低通道单器件差异不大，但成本及指标优势明显，目前已具备批量生产能力。根据材料[38]的市场分析，虽然MEMS光开关单价较高(如1×48型号约$300)，但其高集成度和长寿命特性使其长期维护成本更低，综合经济效益更高。

在市场接受度方面，机械式光开关在2010年占全球市场50%以上，但在高速、大容量光网络需求推动下，MEMS光开关的市场份额持续增长。据汉鼎咨询公司预测，2025年MEMS光开关预计占全球市场约40%，主要应用于数据中心、6G通信和卫星激光通信等新兴领域。国际厂商如JDSU、OPLINK等仍主导高端MEMS光开关市场，而国内厂商如华芯晶电、亿源通等通过国产化衬底和工艺优化，正在缩小与国际厂商的差距。

从应用场景看，机械式光开关在传统网络维护领域仍具竞争力，如光纤测试与监测、光器件测试、电力通信网络保护倒换等。而MEMS光开关则在新兴领域展现出优势，如AI算力互连、6G通信、卫星激光通信和光计算等。2025年，飞宇光纤推出的96通道WDM+毫秒级光开关，支持动态重构光网络路径，满足英伟达1.6T网卡需求，标志着MEMS光开关在数据中心领域的规模化应用。

五、未来发展趋势与潜在应用场景

随着光通信技术的快速发展，光开关技术正朝着更高性能、更低成本、更广应用的方向演进。未来光开关技术将主要沿着三大方向发展：与硅光子学的深度集成、超高速全光开关的商用化以及在新兴领域的应用拓展。

在技术路线方面，硅基光电子集成技术将成为光开关发展的主流方向。2.5D/3D集成(也被归为光电共封装(CPO)技术)是缩短互连长度、减小芯片尺寸从而减小寄生效应、提高集成密度和减小功耗的最具潜力的方案。2.5D集成将PIC和EIC都通过倒装键合方式集成在转接板上，通过转接板上的金属布线实现互连；3D集成则将PIC直接作为转接板，实现与EIC的垂直互连。这种集成方式将使光开关的尺寸、重量和成本进一步下降，功耗也随之降低。曦智科技在2022年实现的512通道硅光互连系统，能在1ns内完成多个计算核之间”All-to-All”的数据广播，展示了光开关在光互连领域的巨大潜力。

全光开关的商用化也将是未来重要趋势。目前，基于电光效应、热光效应等的非机械式光开关已实现纳秒甚至皮秒级响应速度，但插入损耗和串扰问题仍需解决。2025年Nature Photonics发表的100皮秒级InGaAsP/Si混合结构光开关，以及2011年实验实现的10ps级高速光开关，为全光开关的商用化提供了技术基础。推荐阅读《InP光开关新突破！Nature Photonics发布100皮秒级超高速光开关技术》未来全光开关有望在量子通信、光计算等对速度要求极高的领域得到应用。

在应用场景拓展方面，光开关技术将在以下新兴领域发挥重要作用：

首先，在量子通信领域，光开关将用于构建安全的量子交换网络平台。通过光开关量子交换器，可以在量子通信网络的信源、信宿之间建立光子链路，为双方通信提供量子通道。2020年中国研究的量子交换机模块已应用于电力通信领域，通过”一次一密”方式在主站与终端之间提供无线安全通信链路，确保控制指令在传输时不被破解、不可窃听。2023年印度科学家提出的量子开关应用方案，展示了其在量子随机访问码、量子操控等信息任务中的潜力。

其次，在生物传感领域，光开关将支持更高效的多目标检测系统。基于偶氮苯衍生物的光开关分子探针可用于细胞膜离子通道调控，如K⁺通道的光控开关，为生物医学研究提供工具。此外，光开关可用于SPR(表面等离子体共振)传感器系统，通过动态切换检测通道，实现多目标污染物的实时监测，检测限可达纳克级。

第三，在光计算与AI芯片领域，光开关将推动低延迟、高带宽的数据传输。曦智科技的512通道硅光互连系统展示了光开关在光计算架构中的核心地位，其1ns级的延迟响应将极大提升算力效率。随着AI训练模型参数量的爆发增长，传统铜线互连已无法满足超大数据中心对延迟与带宽的要求，光开关成为构建可重构光网络(ROADM)、实现片间/板间光互连的关键器件。

最后，在海岛电力网络等特殊场景，光开关将提升系统的安全性和可靠性。舟山电力公司已投运量子开关273台，覆盖93条架空线路，实现了故障精准定位及隔离，将故障处置时间从小时级缩短至分钟级，显著提升了供电可靠性至99.9912%。这种基于”4G+量子”或”5G+量子”技术的光开关应用，为海岛配网”全自愈”建设提供了有力支撑。

六、结论与展望

从机械到MEMS的光开关技术演进，不仅提升了光网络的性能指标，还推动了光通信向智能化、高速化、大容量方向发展。机械式光开关凭借低插损和高可靠性，在传统网络维护领域仍具竞争力；而MEMS光开关则通过微机电技术与硅光子学的融合，实现了体积小型化、速度提升和大规模集成，成为当前光网络升级的核心驱动力。

未来，随着硅基光电子集成技术的成熟和全光开关的商用化，光开关将在更多新兴领域发挥关键作用。在数据中心领域，光开关将支持AI算力互连，降低数据传输延迟；在6G通信领域，光开关将工作在太

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