谢世钟-宽带光网络中光电子器件的发展

S.Xie00.11.27OND1宽带光网络中光电子器件的发展清华大学电子工程系北京100084中国谢世钟S.Xie00.11.27OND2宽带光网络中光电子器件的发展提纲宽带网络技术概论宽带传输媒质高速器件的发展波长资源的利用和管理集成度的提高总结S.Xie00.11.27OND3宽带光网络中光电子器件的发展一、宽带网络技术概论传输媒质：光纤、同轴线、屏蔽与非屏蔽双绞铜线、微波、无线接入系统宽带网络基本技术：传输技术、交换技术、接入技术目前主要运营网络：电信网、有线电视网、计算机网S.Xie00.11.27OND4一、宽带网络技术概论网络发展趋势网络的宽带化、业务的综合化“三网合一”电信网：+公用网、连接范围广-需宽带接入网、具有综合业务能力的宽带交换机制、保证网络互通性有线电视网：+宽带-树状拓扑结构、提供交换业务计算机网：+综合业务能力-宽带化、交换方式S.Xie00.11.27OND521世纪的传输：Tbit到干线网Gbit到办公室/家庭Mbit到个人OriginatingBandwidthU.S.InterstateCommunicationTraffic多种业务的增长对光网络发展的驱动一、宽带网络技术概论S.Xie00.11.27OND62.8TerabitT3-45MbpsOC48-2.5GbpsTbpsTimefor2.8TerabitCommunicationRate25hours15minutes2.8secondsOtherTrafficSourcesDODInformationSuperiorityRequiresTerabitBattlefieldCommunications1ftx10bitsRadar/SARMulti-spectralsensors-Infrared-?wave-RF(Tbps)100miles100milesSuperNetApplicationsDARPA6S.Xie00.11.27OND7一、宽带网络技术概论•Ittookaboutacenturytoinstalltheworld’sfirst700millionphonelines;anadditional700millionlineswillbedeployedinthenext15-20years.•Therearemorethan200millionwirelesssubscribersintheworldtoday;anadditional700millionmorewillbeaddedoverthenext15-20years.•Therearemorethan200millioncableTVsubscribersintheworldtoday;300millionmorewillbeaddedoverthenext15-20years.•Morethan100millionadditionalInternetuserswillcomeon-lineby2001.S.Xie00.11.27OND8第一年第二年第三年第四年第五年光带宽9个月几种关键技术的发展速度摩尔定律18个月性能价格比翻番速度近几年：S.Xie00.11.27OND9Trend2000106107Capacity-Distance(Gb/skm)YearECOC’9910410Gb/s10000KM波分复用系统速率-距离积的发展S.Xie00.11.27OND10网络业务量变化的战略趋势根据初步分析,今后5到10年中国网上的数据业务量将可能会超过话音业务量。(7-8年最有可能,干线网可能仅3年)IP业务将最终成为主导的联网协议。业务总量将有大幅度增加(几十倍)。传统电话网将不可避免要过渡到分组交换为基础的融合的下一代网，下一代网将最终支持包括话音在内的所有业务。S.Xie00.11.27OND11密集波分复用系统的速率200016010Gb/sS.Xie00.11.27OND12北美长途网敷设趋势-corning0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%1998199920002001200240G10G2.5GS.Xie00.11.27OND13密集波分复用网络的演进S.Xie00.11.27OND14全球光通信网络市场Internet1999:$19.4亿2003:$523亿光网络1999:$37亿(长途35+城域2)2004:$170亿(长途150+城域20)光交换(北美+欧)2000:$5.4亿2004:150亿1999通信系统供应商投资回报300%1999光学元件供应商投资回报700%摘自：美国PhotonicsSpectra，p.99,May2000S.Xie00.11.27OND15波分复用技术现状和发展目前商用系统主要为(16-40)2.5/10Gb/s。超长距离：Corvis的1602.5G在芝加哥-西雅图3200公里线路上试验。Qtera的ULTRA系统可将10GWDM系统的全光传输距离已提高到4000km。阿尔卡特的4810Gb/s在实验室已传4000km。超高密度：16010G(北电/Sycamore)系统已开始商用。1022x37M(朗讯)已试验成功实验室最高水平：7.04T(17640G)50km(西门子)；3.28T(82x40G)300km(朗讯)；3.2T(160x20G)1500km(NEC)已规划商用容量：6.4Tb/s(80x80Gb/s)(北电)S.Xie00.11.27OND16全光超长传输试验为了减少电再生点以及随着光层联网能力的引入，全光超长传输成为关键。48×10Gb/s传输4000km试验(阿尔卡特)：光区段长80km,采用了混合的拉曼放大器和EDFA，拉曼增益大约为每段4dB。试验结果表明传输距离主要受限于偏振模色散，其中DCF占1/2，光放大器占1/6，而光纤占1/3。S.Xie00.11.27OND17PhotonicDevicesforPresent&FutureLightwaveLongHaulSystems用于目前和未来长距离光波系统的光电子器件SemiconductorLasers-Integratedlaser-modulatortransmitter-Multiwavelegthtransmitters-Tunabletransmitters-Solitonsources-HighpowerpumpsforfiberamplifiersSemiconductorOpticalAmplifiers-PowerAmplifiersinIntegratedtransmitters-1.3mopticalAmplifiers-Opticalswitchesandswitcharrays-WavelengthconvertersandothernonlinearfunctiondevicesPhotodetectorsandOEICreceivers-High-speed(10Gb/s)andhigh-sensitivityOEICreceivers-High-speed(10Gb/s)avalanchephotodiodes•半导体激光器-集成的激光器和调制器组件-多波长光发射器-可调谐光发射器-光孤子源-用于光纤放大器的泵源•半导体光放大器-集成光发射器中的功率放大器-1.3m光放大器-光开关和开关阵列-波长转换器和其它非线性器件•光检测器光电集成回路接收器-高速高灵敏度集成回路接收器-高速(10Gb/s)雪崩光电二极管S.Xie00.11.27OND18PhotonicDevicesforPresent&FutureLightwaveLongHaulSystems用于目前和未来长距离光波系统的光电子器件PlanarIntegratedWaveguideComponents-Couplers-Filters(fixedandtunable)-Wavelengthmultiplexersandrouters-Modulatorsandswitches-Doped-waveguidedevices-DispersioncomponentsFiber-typeComponents-Doped-fiberdevices(amplifiersandlasers)-Couplers-Gratingfilters-Wavelengthmultiplexers-Dispersioncompensators-Opticalswitches(mechanical)-Opticalisolatorsandcirculators•平面集成光波导元件-耦合器-滤波器（固定的和可调谐的）-波长复用器和路由器-光调制器和光开关-掺杂的光波导器件-色散补偿器件•光纤类元器件-掺杂光纤器件(放大器,激光器)-耦合器-光纤光栅滤波器-光波复用与解复用器-色散补偿器-光开关(机械式)-光隔离器和光环行器器件S.Xie00.11.27OND191998年世界元器件市场Optics$12BillionSemiconductors$125BillionOptoelectronics$38BillionS.Xie00.11.27OND20通信/326影像/221存储/421显示/426LED照明与信号/4太阳电池/81998年世界光电子产品单位：亿美元总计：1998年1406亿美元，北美约占：428亿美元1997年为1150亿美元年增长率约20%30.3%29.9%23.2%0.6%15.7%0.3%S.Xie00.11.27OND21Source/detector7%Modules10%Fiber/cab21%Comm.Eq62%1997CommunicationMarket$30B.S.Xie00.11.27OND22020406080199719992001系列1CommunicationsMarketForecastYear$BillionsS.Xie00.11.27OND23宽带光通信网络的发展对光电子器件的需求和推动二、宽带传输媒质光纤、同轴线、双绞铜线、微波、无线…...光纤的发展：G.652G.653G.654G.655:Truewave,LEAF,AllWave…...特种光纤：DCF，高光敏度光纤，高非线性系数光纤……S.Xie00.11.27OND24第三传输窗口第二传输窗口第一传输窗口13001550850紫外吸收红外吸收瑞利散射0.22.5损耗(dB/km)波长(nm)OH离子吸收峰光纤损耗谱特性S.Xie00.11.27OND25OpticalFiberSystemBandsNeedsforincreasingcapacityrequireusingadditionalwavelengthbandsS.Xie00.11.27OND26二、宽带传输媒质宽带光纤网络对光纤的要求具有传输太比速率的能力提供40Gb/s传输的解决方案适合长距离及跨洋应用低价、实用的塑料光纤S.Xie00.11.27OND27宽带光网络中光电子器件的发展三、高速器件的发展10Gb/s，40Gb/s速率的发射、接收、调制器:EA调制器，DFBLD+EAMod，LN调制器…..Gb/s以太网和10Gb/s以太网器件波长稳定化的CWLD配套的高速电子器件S.Xie00.11.27OND28ProductRoadMap—Speed2.5Gb/sTransponder10Gb/sTransponder10Gb/sEML40Gb/sLNMod80Gb/sLNMod2.5Gb/slaser40Gb/sEML10Gb/sTx40Gb/sTx2.5Gb/sTx10Gb/sLNMod+CWlaser10GbDetectorsEDFA10Gb/sRx40Gb/sRxRamanAmps(10