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光通信器件的现状和演进陈益新上海交通大学2017.9.15西安2017-9-15Chen1光通信器件2017-9-15Chen光通信器件2早上好！内容提要•信息时代网络世界对光纤通信的挑战•光通信器件技术现状–骨干和城域光网传输用高速光器件–数据中心用光互连器件–新一代光接入网光器件–相干光通信光器件–全光网光交换用光器件–硅光子及集成光路器件•我国光器件技术突破和创新•展望2017-9-15Chen3光通信器件新的数字信息时代的黎明•为纪念克劳德·香农诞生一百周年，贝尔实验室举办一个关于“数字信息未来”专题的两天会议。•所有人和所有物都将数字化连接和可控制，从而达到前所未有的自动化水平，实现“创造时间”的能力，将会被视为现代第六次技术革命。•香农（ClaudeE.Shanon）于1916年4月30日出生于美国密歇根州。1948年6月和10月在《贝尔系统技术杂志》（BellSystemTechnicalJournal）上连载发表了他影响深远的论文《通讯的数学原理》。1949年，又在该杂志上发表了另一著名论文《噪声下的通信》。两篇论文从而成为了信息论的基石。2017-9-15Chen光通信器件4这场革命将导致全球技术经济结构引发巨大变化光纤，当今社会的信息神经•在社会各方面迈向信息化的当今时代，社会迈向信息时代，信息网络无疑就成为这个时代的社会基石。•从上世纪后半期开始，光纤传输基本上替代了电缆传输，从高锟光纤论文至今经过半个世纪，光纤网络已成为全球信息网的主干。•当前光纤网络的应用领域也从最早的邮电通信和数据传输，发展到互连光纤网、物联光纤网、存储光纤网和传感光纤网等，乃至光纤网与无线和移动通信网络紧密融合。•云计算、视频、物联网、5G需求的出现及快速商业化，让光网络正面临着巨大的升级压力，大连接、大容量、大能力、和大消费将成为未来光网络的核心诉求，光网络新一轮的变革正在开启。2017-9-15Chen5光通信器件各种形式数据指数式增长2017-9-15Chen光通信器件6更高的数据速率更快的数据处理更好的数据安全来源：mellanox2017（1021字节）芯片上数据容量增长2017-9-15Chen光通信器件7每芯片数据容量（Gb/s）年份Infinera的芯片上系统商用DWDMPIC当前水平研究结果未来光网络2017-9-15Chen8光通信器件家庭网关企业网关有线无线家居智能能源网信息网发电厂充电桩电池HEMS：家庭能源管理系统BEMS：大楼能源管理系统未来光纤网的新需求•超高信号速率，超大系统容量，超长传输距离，超强网络功能；•构造全光网；传输系统小型化，低衰减，低能耗，低时延；•网络运行管理灵活、开放和智能化；网络功能虚拟化（NFV）和软件定义网络（SDN）；•网络广泛覆盖，建造和运行成本下降；•高度安全可靠。2017-9-15Chen光通信器件9光器件的新机遇新挑战•满足100G、400G和1T超长距离骨干网传输要求•满足下一代宽带灵活光接入网要求•满足大数据、云计算和数据中心光互连网络要求•满足不同长度（从微米到千米）光互连要求•满足无线光纤融合和移动通信前程和回程光网络要求•满足各种光纤传感器光网络要求•满足光网络在能源、电力、交通、农业、航空航天、深海极地等新应用领域的不同和特殊要求•光器件的新挑战：速率更高、频谱更宽、损耗更小、功耗更低、灵敏度更高、时延更短、非线性更弱、集成度更高（集成光路和集成电路一体化）、尺寸更小、价格更廉等等。2017-9-15Chen光通信器件10通信光器件产品分类2017-9-15Chen光通信器件11产品类别主要代表产品芯片InP芯片（10G/25GDFB、EML芯片、PD芯片，SOA芯片）GaAs芯片（10G/25GVCSEL芯片、PD芯片）Si/SiO2芯片（PLC光分路器芯片、AWG芯片）SiP芯片（相干光收发芯片、调制器芯片、光开关芯片）LiNbO3芯片（调制器芯片）MEMS芯片（VOA芯片，可调滤波器芯片，光开关芯片，）等光有源器件激光器（VCSEL、DFB、DML、EML、可调激光器、外调激光器）；探测器（PD、APD）；调制器（强度调制器、相位调制器、偏振调制器）；集成器件(相干光收发器件、阵列调制器)；等光无源器件光分路器、光波分复用/解复用器、光耦合器、光隔离器、光滤波器、光开关（OS、WSS）、光连接器（单芯和多芯、MTO/MPO）、光背板等光模块与子系统光收发模块（10G/25G/100G/400G）；光放大器模块（EDFA、Raman）；动态可调模块（ROADM、MCS、OXC）；性能监控模块（OPM、OTDR）；光纤传感子系统；等光器件市场需求予估•新兴的带宽密集型大数据应用，例如社交媒体和物联网（IoT），正在将现有的网络基础设施推向极限。例如，国际数据公司（IDC）预计，到2020年，物联网市场将从2013年连接到互联网的器件和物品的91亿件增长到281亿件[1]。•这不仅影响光接入网和数据中心网络，还影响骨干网络。根据业界面向服务和传输网络的灵活和自适应波长基础设施（IDEALIST）项目[2]估计，骨干网络中互联网流量的年复合增长率为35％。[1]InternationalDataCorporation,2015[Online].Available:[2]A.Napoli,etal.,“Nextgenerationelasticopticalnetworks:ThevisionoftheEuropeanresearchprojectIDEALIST,”IEEECommun.Mag.,vol.53,no.2,pp.152–162,Feb.2015.2017-9-15Chen光通信器件122017-9-15Chen光通信器件13骨干和城域光网用高速光器件提高容量的三个物理维度符号速率高阶调制星座多重性多重子载波2017-9-15Chen14光通信器件多（高）阶调制格式2017-9-15Chen15光通信器件直接检测相干检测幅值相位偏振调制属性星座图Baud/s(波特率)=符号速率（每秒传输的符合数）Bit/s(比特率)=位（bit）速率(符号数x符号速率)2017-9-15Chen16光通信器件•用复数平面表示光场，半径为幅值~|A|，没有时域信息。•对表示信号特征非常有用。以4符号（symbol）为例4幅值水平4光场相位PAM-4QPSK正交振幅调制（QAM）星座图2017-9-15Chen17光通信器件比特率与符号率假设我们使用偏振复用得到1Tbit，则需要一个500Gb/s的单偏振。所需要的符号率：2017-9-15Chen18光通信器件如何获得T比特的接口•在光通信系统中的编码数据可以使用不同的物理维度•多个维度的结合，能够增加容量，物理维度空间时间偏振频率正交来源：OFC2015，M3G.12017-9-15Chen19光通信器件电时分复用（ETDM）•经典的开关键控（OOK），已有超过30年，一直是电时分复用（ETDM）采用的主要调制技术。•速率与T比特有10倍因子相差。2017-9-15Chen20光通信器件光时分复用（OTDM）•光时分复用（OTDM）可以使用短光脉冲实现高比特率，但主要是作为一个研究工具。[H.-G.Weberetal.J.LightwaveTechnol.,24,4616–4627(2006)]2017-9-15Chen21光通信器件时分复用+偏振复用In2000,NTTincreasedthebitratebyafactoroftwoto1.28Terabit/susingPolarizationMultiplexing(PDM)2017-9-15Chen22光通信器件利用相位维度：•降低电子元件速度的要求（对于QPSK，因子为2）•提高频谱效率（SE）以及色散和偏振模色散（PMD）的容错利用相位维度2017-9-15Chen23光通信器件利用相位和偏振复用利用相位和偏振维度：•偏振复用给出了另一个符号率的2倍减少；•可扩展星座大小，进一步降低符号率。2017-9-15Chen24光通信器件超通道（Superchannels）•具有基数较低符号率的众多子载波–对电子器件的要求较低–通常为锁频模式，并通过梳状源产生•高频谱效率--通道间隔约等于符号率2017-9-15Chen25光通信器件336载波25Tb/s超通道•25Tb/s通道•336载波，由梳状源锁定频率•全光OFDM接收机提供FFT实时处理2017-9-15Chen26光通信器件空分复用(SDM)结合所有的物理维度的贡献，可以实现Petabit（1015bit）容量。2017-9-15Chen27光通信器件单载波高符号率系统Generallybesttousehighesteconomicallyfeasibleelectronicrates2017-9-15Chen28光通信器件2017-9-15Chen光通信器件29可调激光器Iolon(Coherent)MMIcoupler8DFB-LDsdifferent’s/4shiftSOAsectionEAmodulatorlightoutputARcoatingPZT(mechanicalcavitylengthtuning)tuningmirroroutputbeamHRcoatingARcoatingelectro-opticcell(forelectronictuningofcavitylength)laserdiodecollimatinglensdiffractiongratingSanturNECAgility(JDSU)SyntuneIntelBookham(DS-DBR)(SG-DBR)混合外腔硅基可调激光器•集成超宽带波长可调混合外腔硅基激光器•报告者：1-NokiaBell-Labs,USA;2-III-VLab,France.•展示了一种新颖的混合III-V/Si激光器，其在没有增强器SOA（在某些波长下高达+13dBm）时呈现高光纤耦合输出功率，以及在C和L频段上创记录的调谐范围（95nm），侧模抑制比大于35dB。2017-9-15Chen光通信器件30来源：OFC2017,Th5C.6混合可调激光器结构2017-9-15Chen光通信器件31来源：OFC2017,Th5C.6相移器多模干涉器非对称马赫-曾德干涉镜（AMZIM）赛道环形谐振器反射半导体光放大器（RSOA）倾斜光斑尺寸变换器Sagnac回路镜PLC-LN混合集成的概念•二氧化硅PLC提供了优良的透明度和复杂光路布局的灵活性，但只有通过热光（TO）效应对外部控制缓慢响应。•另一方面，铌酸锂（LN）对电光相位调制具有很大的带宽，但光损耗较大，设计灵活性也不如SiO2-PLC。•将它们两者结合起来，可以充分利用双方的突出优点，同时避免其各自的弊端。2017-9-15Chen32光通信器件PLC-LN混合集成光调制器Source:OFC/NFOEC2011OWV1[1]Y.Miyamotoetal.,IEEECommun.Mag.,48,S65-S72(2010).[5]H.Masudaetal.,Proc.OFC/NFOEC’09,paperPDPB5.[18]T.Yamadaetal,Proc.OFC/NFOEC2008,paperOThC3.[19]H.Yamazakietal.,Proc.ECOC2008,paperMo.3.C.1.[20]A.Sanoetal.,Proc.ECOC2009,paperPD2.2.[21]H.Yamazakietal.,Photon.Technol.Lett.,22,344-346,(2010).[22]H.Yamazakietal.,Proc.ECOC2010,paperWe.8.E.1.[23]K.Miyauchietal.,IEEETrans.Commun.,24,263-267(1976)2017-9-15