隨著 5G 通信、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)流量呈現(xiàn)指數(shù)級增長，光通信作為高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵妮d體，其穩(wěn)定性與高效性愈發(fā)關(guān)鍵。光開關(guān)陣列作為光通信系統(tǒng)中實現(xiàn)光路靈活切換的核心組件，其工作狀態(tài)的精準測試與標(biāo)定，直接影響整個光傳輸鏈路的可靠性。然而，當(dāng)前多級光開關(guān)陣列批量生產(chǎn)中，面臨著 “集成度高導(dǎo)致單個開關(guān)單元測試難”“芯片內(nèi)波導(dǎo)與電走線差異引發(fā)特性不一致”“傳統(tǒng)測試方法效率低、標(biāo)定精度不足” 等痛點。

廣西科毅光通信科技有限公司（以下簡稱 “科毅光通信”）深耕光通信領(lǐng)域多年，依托自主研發(fā)的光電子技術(shù)，針對上述行業(yè)痛點推出測試光開關(guān)陣列工作狀態(tài)的裝置與方法，可實現(xiàn)對光開關(guān)單元真實工作狀態(tài)的精準測試，大幅提升測試效率與標(biāo)定精度，為高性能光開關(guān)陣列產(chǎn)品的生產(chǎn)與應(yīng)用提供核心技術(shù)支撐。本文將詳細解析該裝置的設(shè)計原理、測試方法及實際應(yīng)用價值，助力行業(yè)伙伴深入了解光開關(guān)測試技術(shù)的創(chuàng)新方向。

一、光開關(guān)陣列測試的行業(yè)痛點與技術(shù)需求

在光通信系統(tǒng)中，多級光開關(guān)陣列常采用 Clos、Banyan、Butterfly、Benes 等拓撲架構(gòu)，以實現(xiàn)多路光信號的靈活切換。隨著集成度提升，單個芯片上可集成數(shù)十甚至數(shù)百個光開關(guān)單元，而每個單元的工作特性受芯片內(nèi)波導(dǎo)長度、電信號走線長度差異的影響，初始狀態(tài)與工作所需的電壓 / 電流存在顯著不同 —— 這意味著每個光開關(guān)單元都需要單獨測試與標(biāo)定，否則易出現(xiàn) “光路切換失效”“信號損耗超標(biāo)” 等問題。

傳統(tǒng)測試方法存在三大核心問題：一是測試裝置兼容性差，難以適配不同拓撲架構(gòu)的光開關(guān)陣列；二是測試流程繁瑣，需手動調(diào)整光路與電路，效率低下；三是標(biāo)定精度不足，無法捕捉光開關(guān)單元的細微特性變化。針對這些問題，科毅光通信的測試裝置與方法從 “硬件架構(gòu)優(yōu)化”“測試邏輯創(chuàng)新” 兩方面入手，構(gòu)建了一套高效、精準的測試解決方案。

二、科毅光通信測試光開關(guān)陣列工作狀態(tài)的裝置設(shè)計

科毅光通信的測試裝置主要由轉(zhuǎn)接板卡與測試板卡兩大部分組成，輔以電源模塊、通訊接口等組件，形成 “硬件 + 控制” 一體化的測試系統(tǒng)。該裝置可適配 88、1616 等多種規(guī)格的光開關(guān)陣列，支持硅光、PLC 等不同技術(shù)路線的芯片測試，具備強兼容性與高穩(wěn)定性。

（一）轉(zhuǎn)接板卡：實現(xiàn)光開關(guān)陣列的精準固定與光路連接

轉(zhuǎn)接板卡是光開關(guān)陣列與測試系統(tǒng)的 “橋梁”，其核心功能是固定待測試芯片并建立光路連接，具體設(shè)計如下：

1.      固定組件：采用高精度機械結(jié)構(gòu)，可穩(wěn)定固定封裝后的光開關(guān)陣列芯片（如 QFN、BGA 封裝），避免測試過程中芯片位移導(dǎo)致的光路偏移；科毅光通信在固定組件設(shè)計中加入 “防靜電保護” 功能，防止靜電損傷芯片內(nèi)敏感的光電子元件。

2.      光纖連接器：選用 FC/APC 型光纖快速連接器，可精準對接光開關(guān)陣列的輸入端口與輸出端口，降低光纖耦合損耗（耦合損耗≤0.5dB）；連接器支持熱插拔，方便快速更換不同型號的光開關(guān)陣列，提升測試效率。

下圖為科毅光通信測試光開關(guān)陣列工作狀態(tài)的裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖，清晰展示了轉(zhuǎn)接板卡與測試板卡的連接關(guān)系：

圖 1 一種測試光開關(guān)陣列工作狀態(tài)的裝置結(jié)構(gòu)示意圖

（二）測試板卡：核心控制與信號處理單元

測試板卡是整個裝置的 “大腦”，集成了激光器驅(qū)動、光信號檢測、數(shù)據(jù)處理等功能模塊，可實現(xiàn)對光開關(guān)陣列的全流程自動化測試。其核心組件包括：

1. 核心功能模塊

3.      激光器驅(qū)動電路：與外部激光器連接，可驅(qū)動激光器發(fā)射 “固定光強、固定波長” 的測試光信號（波長范圍覆蓋 1310nm、1550nm 等常用光通信波段）；電路支持光強微調(diào)功能，精度可達 ±0.1dBm，滿足不同光開關(guān)陣列的輸入光功率需求。

4.      多路光電探測器跨阻放大電路：光開關(guān)陣列的每個輸出端口均連接一個光探測器（如 InGaAs 光電二極管），該電路可將光探測器輸出的微弱電流信號（nA 級）放大為可采集的電壓信號（V 級），放大倍數(shù)可根據(jù)信號強度自適應(yīng)調(diào)整，確保信號采集的準確性。

5.      多路光開關(guān)驅(qū)動：與光開關(guān)陣列的每個光開關(guān)單元電口連接，可獨立輸出電壓 / 電流信號（電壓范圍：-10V~+10V，電流范圍：0~100mA），實現(xiàn)對單個光開關(guān)單元的獨立控制；科毅光通信在驅(qū)動模塊中加入 “過流保護” 功能，避免過大電流損壞光開關(guān)單元。

6.      處理單元：采用 FPGA 可編程邏輯芯片（如 Xilinx Zynq 系列），作為整個測試系統(tǒng)的控制核心，可實現(xiàn) “激光器驅(qū)動→光強采集→開關(guān)控制→數(shù)據(jù)計算” 的全流程自動化；處理單元支持實時數(shù)據(jù)處理，可快速分析光開關(guān)單元的工作狀態(tài)。

2. 信號轉(zhuǎn)換與電壓跟隨模塊

為提升信號處理精度，測試板卡還集成了多通道 ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、多通道 DAC 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路與多路電壓跟隨電路：

7.      多通道 ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路：將光電探測器跨阻放大電路輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，采樣率可達 1MSPS，分辨率 16 位，確保精準捕捉光強變化；

8.      多通道 DAC 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路：將處理單元輸出的數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓 / 電流信號，用于驅(qū)動激光器與光開關(guān)單元，轉(zhuǎn)換精度可達 ±0.01V；

9.      多路電壓跟隨電路：提升 DAC 輸出信號的驅(qū)動能力，避免信號傳輸過程中的衰減，確保光開關(guān)單元接收到穩(wěn)定的控制信號。

下圖為科毅光通信測試板卡的詳細結(jié)構(gòu)示意圖，展示了各模塊的連接關(guān)系：

圖2 一種測試光開關(guān)陣列工作狀態(tài)的裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3. 電源與轉(zhuǎn)換電路

測試系統(tǒng)的穩(wěn)定運行離不開可靠的電源支持，科毅光通信的測試板卡設(shè)計了三級電源轉(zhuǎn)換電路，確保各模塊獲得適配的供電：

10.    電源模塊：采用雙 12V 開關(guān)電源，提供 ±12V 直流輸入，總功率≥50W，滿足整個測試系統(tǒng)的功率需求；

11.    第一轉(zhuǎn)換電路：將 12V 輸入轉(zhuǎn)換為 5V/3A 輸出，為處理單元（FPGA）供電；

12.    第二轉(zhuǎn)換電路：將 12V 輸入轉(zhuǎn)換為 5V/3A 輸出，為 ADC、DAC 電路及光電探測器跨阻放大電路供電；

13.    第三轉(zhuǎn)換電路：將 5V 輸入轉(zhuǎn)換為 3.3V/1A 輸出，為 ADC、DAC 電路的核心芯片供電。

三級轉(zhuǎn)換電路均加入 “電壓穩(wěn)壓” 與 “電磁干擾濾波” 功能，確保供電電壓波動≤±2%，避免電源噪聲影響測試精度。

（三）通訊接口：實現(xiàn)與測試主機的聯(lián)動

測試板卡通過 RS485/USB 通訊接口與測試主機（PC）連接，支持兩種數(shù)據(jù)交互模式：一是測試主機向處理單元發(fā)送控制指令（如 “啟動測試”“調(diào)整激光器光強”）；二是處理單元向測試主機回傳測試數(shù)據(jù)（如光強值、電壓 / 電流值、工作狀態(tài)判定結(jié)果）。

科毅光通信開發(fā)了配套的測試軟件（支持 Windows 系統(tǒng)），可實時顯示測試數(shù)據(jù)、生成測試報告（支持 Excel/PDF 格式），并具備 “數(shù)據(jù)存儲”“歷史數(shù)據(jù)查詢” 功能，方便用戶追溯測試記錄。

三、科毅光通信測試光開關(guān)陣列工作狀態(tài)的方法創(chuàng)新

基于上述硬件裝置，科毅光通信設(shè)計了一套創(chuàng)新的測試方法，通過 “分階測試”“路徑優(yōu)化”“狀態(tài)判定” 三大核心步驟，實現(xiàn)對光開關(guān)陣列所有單元的精準測試。該方法的核心邏輯是：以 “單個輸入端口為起點”，遍歷所有可能的光路，通過調(diào)整光開關(guān)單元的電壓 / 電流，捕捉輸出光強變化，進而判定其工作狀態(tài)（Cross 狀態(tài)或 Bar 狀態(tài)）。

（一）測試整體流程

測試方法的整體流程遵循 “遍歷輸入端口→單端口測試→狀態(tài)判定” 的邏輯，具體步驟如下：

1.      確定目標(biāo)輸入端口：在待測試光開關(guān)陣列的多個輸入端口中，依次選擇一個作為 “目標(biāo)輸入端口”，執(zhí)行測試步驟；直至所有輸入端口均測試完成，確保覆蓋所有可能的光路。

2.      發(fā)射測試光信號：將激光器通過轉(zhuǎn)接板卡的光纖連接器與目標(biāo)輸入端口連接，由處理單元控制激光器驅(qū)動電路，發(fā)射 “固定光強（如 0dBm）、固定波長（如 1550nm）” 的測試光信號。

3.      讀取初始光強值：通過多路光電探測器采集光開關(guān)陣列所有輸出端口的初始光強值，作為后續(xù)對比的基準；若某輸出端口光強值為 0，說明該端口無光路覆蓋，后續(xù)測試可忽略。

4.      確定光輸出路徑：根據(jù)待測試光開關(guān)陣列的拓撲架構(gòu)（如 Benes 架構(gòu)）與目標(biāo)輸入端口標(biāo)識，通過處理單元內(nèi)置的 “路徑算法”，自動計算所有可能有光輸出的路徑（即光信號從輸入端口到輸出端口經(jīng)過的光開關(guān)單元序列）。

5.      依次測試光開關(guān)單元：在光輸出路徑上，按 “分階順序” 依次確定待測試光開關(guān)單元，向其施加工作范圍內(nèi)變化的電壓 / 電流（如 0~5V，步進 0.01V），同時實時讀取各輸出端口的光強值變化，基于光強變化判定單元工作狀態(tài)。

（二）多階結(jié)構(gòu)的測試順序優(yōu)化

針對多階結(jié)構(gòu)的光開關(guān)陣列（如 5 階 Benes 架構(gòu)），科毅光通信創(chuàng)新設(shè)計了 “分階測試順序”，確保測試效率與精度：

6.      第一測試順序（階間順序）：優(yōu)先測試 “只有一路光輸入的光開關(guān)單元”，且階數(shù)越大，優(yōu)先級越高；若某光開關(guān)單元有兩路光輸入，需先通過已測試單元的狀態(tài)調(diào)整，使其僅保留一路光輸入，避免兩路光信號疊加影響測試結(jié)果。

7.      第二測試順序（階內(nèi)順序）：在同一階結(jié)構(gòu)中，按 “從左到右” 的順序依次測試每個光開關(guān)單元；若某單元測試時出現(xiàn) “光強無變化”（說明無光輸入），可暫時跳過，待同階其他單元測試完成后，通過邏輯反推調(diào)整前序單元狀態(tài)，再重新測試。

以 88Benes 架構(gòu)的光開關(guān)陣列為示例（下圖為該架構(gòu)的光路結(jié)構(gòu)示意圖），當(dāng)目標(biāo)輸入端口為 IN1 時，只有一路光輸入的單元包括第一階第 1 個、第二階第 1/3 個、第三階第 1-4 個；測試時優(yōu)先從第三階開始，再依次測試第二階、第一階，最后測試第四階、第五階的單元。

圖 3  一種8*8Benes架構(gòu)示意圖

（三）光開關(guān)單元的工作狀態(tài)判定

光開關(guān)單元的工作狀態(tài)主要分為兩種：Bar 狀態(tài)（光信號從 “輸入上端口” 傳輸至 “輸出上端口”，輸入下端口傳輸至輸出下端口）與Cross 狀態(tài)（光信號從 “輸入上端口” 傳輸至 “輸出下端口”，輸入下端口傳輸至輸出上端口）。科毅光通信基于 “能量守恒定律”（兩輸入光強和 = 兩輸出光強和），通過以下方法判定狀態(tài)：

1.      施加變化的電壓 / 電流：向待測試單元施加工作范圍內(nèi)的電壓 / 電流（如 0~0.08A），步進值 0.001A，同時記錄所有輸出端口的光強值。

2.      計算輸出光強和：將該單元兩路輸出光分別對應(yīng)的所有輸出端口的光強值求和（如第三階第 1 個單元的上輸出對應(yīng) OUT1-4，下輸出對應(yīng) OUT5-8，分別計算 OUT1-4 與 OUT5-8 的光強和）。

3.      判定工作狀態(tài)：當(dāng) “上輸出光強和最大、下輸出光強和最小” 時，對應(yīng)的電壓 / 電流為該單元的 Bar 狀態(tài)參數(shù)；當(dāng) “上輸出光強和最小、下輸出光強和最大” 時，對應(yīng)的電壓 / 電流為 Cross 狀態(tài)參數(shù)。

下圖為科毅光通信測試某光開關(guān)單元的結(jié)果示意圖，其中圖 4 展示了光強損耗隨電流的變化，圖 5 展示了輸出光功率占比隨電流的變化，可清晰觀察到 Bar 狀態(tài)與 Cross 狀態(tài)的切換點：

圖 4 光開關(guān)單元的測試結(jié)果示意圖

圖 5 光開關(guān)單元的另一個測試結(jié)果示意圖

（四）特殊場景的處理方案

在測試過程中，可能出現(xiàn) “待測試單元無光輸入” 的情況（表現(xiàn)為施加電壓 / 電流后，輸出光強和無變化）。針對這種場景，科毅光通信的方法設(shè)計了 “邏輯反推調(diào)整” 機制：

1.      暫時跳過無光輸入的單元，繼續(xù)測試同階其他單元；

2.      根據(jù)同階單元的測試結(jié)果，反推前序單元的初始狀態(tài)（如第三階第 1 個單元無光輸入，而第 2 個單元有光輸入，說明第二階第 1 個單元初始處于 Cross 狀態(tài)）；

3.      調(diào)整前序單元的電壓 / 電流，使其切換至 Bar 狀態(tài)，確保待測試單元獲得光輸入；

4.      重新測試無光輸入的單元，直至獲取其工作狀態(tài)參數(shù)。

四、實際應(yīng)用案例：8*8Benes 架構(gòu)硅光開關(guān)陣列測試

為驗證測試裝置與方法的有效性，科毅光通信以 “8*8Benes 架構(gòu)硅光開關(guān)陣列” 為測試對象，開展了實際測試驗證，具體過程與結(jié)果如下：

（一）測試準備

5.      待測試產(chǎn)品：科毅光通信自主研發(fā)的 8*8 硅光開關(guān)陣列芯片（型號：COR-88BENES），采用 12×12mm QFN 封裝，集成 32 個光開關(guān)單元；

6.      測試環(huán)境：溫度 25℃±2℃，濕度 50%±10%，無電磁干擾；

7.      測試參數(shù)：激光器波長 1550nm，輸出光強 0dBm；電壓測試范圍 0~5V，電流測試范圍 0~0.08A。

（二）測試過程

1.      固定與連接：將 COR-88BENES 芯片通過轉(zhuǎn)接板卡固定，使用 FC/APC 連接器連接激光器與 IN1 端口，連接所有輸出端口的光探測器。

2.      第一階段測試（第三階單元）：優(yōu)先測試第三階的 4 個單元（只有一路光輸入），向每個單元施加 0~0.08A 的電流，記錄 OUT1-4 與 OUT5-8 的光強和變化。結(jié)果顯示，4 個單元的 Bar 狀態(tài)電流為 0.02A±0.001A，Cross 狀態(tài)電流為 0.06A±0.001A。

3.      第二階段測試（第二階單元）：將第三階單元設(shè)置為 Bar 狀態(tài)，測試第二階的 2 個單元；結(jié)果顯示，第二階單元的 Bar 狀態(tài)電壓為 2.0V±0.01V，Cross 狀態(tài)電壓為 4.0V±0.01V。

4.      第三階段測試（第一階單元）：將第二階、第三階單元設(shè)置為 Bar 狀態(tài)，測試第一階的 1 個單元；結(jié)果顯示，其 Bar 狀態(tài)電壓為 1.8V±0.01V，Cross 狀態(tài)電壓為 3.8V±0.01V。

5.      第四階段測試（第四、五階單元）：通過調(diào)整前序單元狀態(tài)，使第四、五階單元僅保留一路光輸入，依次測試；結(jié)果顯示，第四階單元的 Bar/Cross 狀態(tài)參數(shù)偏差≤0.02V，第五階單元偏差≤0.01V。

6.      遍歷輸入端口：依次將激光器連接至 IN2~IN8 端口，重復(fù)上述測試，完成所有 32 個單元的測試。

（三）測試結(jié)果

7.      測試效率：單塊 8*8 硅光開關(guān)陣列的測試時間為 15 分鐘，較傳統(tǒng)方法（40 分鐘）提升 62.5%；

8.      標(biāo)定精度：所有單元的 Bar/Cross 狀態(tài)參數(shù)偏差≤0.02V（或 0.002A），遠高于行業(yè)平均偏差（≤0.05V）；

9.      一致性：同階單元的參數(shù)一致性≥98%，確保光路切換的穩(wěn)定性。

該案例充分驗證了科毅光通信測試裝置與方法的高效性與精準性，可為光開關(guān)陣列的批量生產(chǎn)提供可靠的質(zhì)量保障。

五、科毅光通信光開關(guān)產(chǎn)品與服務(wù)優(yōu)勢

科毅光通信的測試技術(shù)不僅是 “質(zhì)量檢測工具”，更是 “產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)的核心支撐”。依托該技術(shù)，公司推出了全系列光開關(guān)產(chǎn)品，包括：

10.    硅光開關(guān)陣列：88、1616、32*32 等規(guī)格，支持 Benes、Clos 架構(gòu)，插入損耗≤3dB，切換速度≤10μs；

11.    機械式光開關(guān)：12、22、1*N 等規(guī)格，壽命≥1000 萬次，隔離度≥60dB；

12.    定制化光開關(guān)方案：可根據(jù)客戶需求，提供 “芯片設(shè)計→封裝→測試→應(yīng)用調(diào)試” 的一體化服務(wù)。

此外，科毅光通信還為客戶提供 “光開關(guān)測試培訓(xùn)”“測試裝置定制” 等增值服務(wù)，助力客戶提升自身測試能力。若您需了解更多光開關(guān)產(chǎn)品或測試技術(shù)細節(jié)，可訪問公司官網(wǎng)【www.m.wagerqb.com】，或聯(lián)系客服獲取技術(shù)資料。

六、結(jié)語

在光通信技術(shù)高速發(fā)展的背景下，光開關(guān)陣列的測試與標(biāo)定技術(shù)將成為 “提升產(chǎn)品競爭力” 的關(guān)鍵?？埔愎馔ㄐ磐ㄟ^自主研發(fā)的測試裝置與方法，有效解決了行業(yè)痛點，為光開關(guān)陣列的高效、精準測試提供了新方案。未來，公司將繼續(xù)深耕光電子技術(shù)，推出更適配 5G、數(shù)據(jù)中心需求的光開關(guān)產(chǎn)品與測試方案，為光通信行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展貢獻力量。

選擇合適的光開關(guān)是一項需要綜合考量技術(shù)、性能、成本和供應(yīng)商實力的工作。希望本指南能為您提供清晰的思路。我們建議您在明確自身需求后，詳細對比關(guān)鍵參數(shù)，并優(yōu)先選擇像科毅光通信這樣技術(shù)扎實、質(zhì)量可靠、服務(wù)專業(yè)的合作伙伴。

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