带宽、光网和光器件创新-OFC_NFOEC2012

1、1带宽、光网和光器件创新陈 益 新2012. 5. 10OFC/NFOEC 2012一瞥2内内 容容 前言前言 未来高速光网络器件未来高速光网络器件 下一代光接入网器件下一代光接入网器件 光互连器件光互连器件 结束语结束语3三个大会报告“带宽，光学和丰富的年代带宽，光学和丰富的年代” Milo Medin Vice President, Access Services, Google. “如何设计和建造你自己的极大规模电脑如何设计和建造你自己的极大规模电脑” Greg Papadopoulos, Ph.D. Venture Partner, New Enterprise Associates.

2、 “日本电信网络的灾难恢复和研发政策日本电信网络的灾难恢复和研发政策” Isao Sugino Director of the Research and Development Office, Technology Policy Division, Global ICT Strategy Bureau, Ministry of Internal Affairs and Communications, Japan. 4前 言 带宽需求的爆炸，强烈推动了向更高速率、更大容量和更大规模的光网演进。 先进的光网建设，离不开器件提供保证。发展光网是器件持续创新的动力，高性能的器件是光网得以不断升级的基础

3、和先行。 单纤速率100 Gb/s 技术和器件已基本具备， 400 Gb/s 和1 Tb/s 正在 开发和试验中。 千兆位（ Gb/s）带宽直通到家庭只是时间问题。10 Gb/s G(E)-PON还不能这样的带宽要求，涌现出许多新方案。 100米以下距离的光互连已显示出强大生命力，正在向更短距离迈进，应用面不断开拓。5*每条光纤每条光纤在过去的在过去的2525年期间，系统容量增加了近年期间，系统容量增加了近5 5个数量级！个数量级！光纤通信系统的容量*和网络流量的进展6长距离光网速率迈向400G和1T 100 Gb/s波分复用传输的关键技术和器件已趋成熟，其核心主要为偏振复用（PDM）、正交四

4、相位调制（QPSK）、相干接收和数字信号处理技术。 在长距离骨干光网方面，随着40 Gb/s 和100 Gb/s级光传输系统在全球范围内迅速部署，研究人员已经开始了对400Gb/s到1Tb/s的系统的实验室研究和现场试验。 迈向下一代的比特率，除偏振复用外，还需要加以更复杂的如正交振幅调制（QAM）和正交频分复用（OFDM）等多种调制模式 。 目前，高比特率16-QAM、64-QAM以及甚至256-QAM的系统被认为是一种很好的权衡，可以使长距离传输系统最大限度地提高频谱效率（SE）。 7102.3-Tb/s的（224 x548-Gb/s）C -和扩展L波段的全拉曼放大传输240公里，使用数字

5、导频的PDM -64QAM单载波频分复用（SC-FDM）Abstract: We demonstrate 102.3 Tb/s transmission over 3x80 km of PSCF by employing 548-Gb/s PDM-64QAM single-carrier frequency-division-multiplexing (SC-FDM) signals with pilot tone and 11.2-THz ultra-wideband low-noise amplification in the C- and extended L-bands.摘要：我们验证

6、了在3x80公里的纯石英芯光纤 （PSCF）上成功实现 102.3 Tb/s的传输，采用548 Tb/s PDM -64QAM单载波频分复用（SC-FDM）带有数字导频的信号，和在C波段和扩展L波段应用11.2-THz超宽带低噪声放大。From: OFC 2012 PDP5C.3（日本NTT等）822-DP-8QAM/QPSK光超通道，在1,503公里安装的SSMF上实现 21.7 Tb/s的现场试验From: OFC 2012 PDP5D.6美国美国Verizon公司和公司和NEC实验室等实验室等9光纤传输容量现场试验1 Tb/s以上传输容量的试验结果（星号：本项工作；三角形：以前报道的现场

7、试验；虚线：容量距离乘积的等价曲线） From: OFC 2012 PDP5D.610空分复用：多芯光纤 应用空分复用（SMD）可以有效提高光纤传输容量，包括多芯光纤和少模光纤(模式复用)两种方案。 从日本最新报导，19-芯光纤采用100-WDM PDM-QPSK信号，其传输容量的实验室结果达到305-Tb/s。19-芯光纤截面图芯光纤截面图19光束（透镜面）光学耦合示意图，波长光束（透镜面）光学耦合示意图，波长1.55 mFrom: OFC 2012 PDP5C.111未来光接入网的要求 运营商对面向未来光接入网的基本要求主要包括： （一）同时支持传统的、新兴的和移动通信回程服务;（二）最大

8、程度地利用现有ODN;（三）灵活的带宽升级和管理;（四）能提供比现有的接入网络更高的带宽/容量和分流比;（五）在成本、性能和节约能源方面的优化技术组合;（六）非侵入性的故障诊断与迅速恢复的服务。 具体说，高于10 Gb / s （或称NG-PON2）的未来光接入网系统的性能，必须支持每用户拥有1 Gb / s的对称平均速率，系统覆盖60至100公里，用户数达到1000以上，适应多种服务融合，并能满足接入市场的成本约束。 12未来光接入网的解决方案 高速（40 Gb/s）TDM-PON WDM-PON 波长再利用 （RSOA）WDM-PON， 注入种子（injection-seeded） WDM

9、-PON， 自种子（self-seeding） WDM-PON 可调谐（Tunable ）WDM-PON 超密集（Ultra Dense） WDM-PON 混合WDM-PON 时分/波分混合（TWDM）TDM-WDM-PON 长距离（LR）PON 正交频分复用接入（OFDMA-PON） 光码分复用接入（OCDMA-PON） 相干探测 PON13WDM-PON的系统基本架构 WDM-PON的系统架构。插图：上行和下行波长通道分配，分开为两个波段 14采用采用RSOA的的ONU结构结构 采用反射半导体光放大器（采用反射半导体光放大器（RSOA）的用户）的用户ONU结构结构 15COAWG 采用可调

10、谐激光器的用户采用可调谐激光器的用户ONU结构结构 采用可调谐激光器的采用可调谐激光器的ONU结构结构16长距离长距离 PONs基本思想：通过延伸接入网与城域网相互融合，扩大网络覆盖，基本思想：通过延伸接入网与城域网相互融合，扩大网络覆盖，从而减少设备接口和网络单元、功耗、管理和运营费用等，以从而减少设备接口和网络单元、功耗、管理和运营费用等，以实现实现降低降低单位带宽成本的最终目标。单位带宽成本的最终目标。核心网核心网城域网城域网接入网接入网17FSAN提出的PON演进路线 FSAN提出的提出的10 Gb/s 以上以上PON（NG-PON2）技术路线图）技术路线图 FSAN：“全业务接入网”

11、论坛18居民接入网的技术路线From：OFC 2012 Workshop，NTTHybrid WDM /TDM-PON with optical amplifier is the best candidate for NG-PON2！19PON演进的不同路线Either way, we will eventually see colorless DWDM-PON in access network.20WDM-PON实验研究报导21商品化的 WDM-PONFrom：Workshop 2012，mel22未来光接入网需要的光器件 未来光接入网，需要一系列创新的无源和有源光器件，特别是要求低成本和

12、低能耗，不断提高器件的集成化程度将是关键。以可调谐WDM-PON为例，在光线路终端（OLT）的发射器中需要集成的激光器阵列和滤波器（AWG），在一个芯片上有40通道和多通道激光驱动器；在接收器中是集成的PD阵列和AWG。在远端（RN）需要无热AWG，以及高分路比的PLC分路器。对于用户端的光网络单元（ONU），要求低成本的可调谐激光器，（无热电制冷器、无波长锁定、无校准）；以及集成的L/C耦合器、可调谐激光器和光电二极管。对于LR-PON，需要低成本的光放大器。23光互连是光纤通信的自然延伸上世纪后期进入了信息时代，各种信息的流量特别是互联网数字信息激剧膨胀。信息运行环节中首先出现瓶颈的是长距

13、离通信电缆限制了出现传输的速率和容量。找到石英光纤传输光信号替代电缆传送电信号，从而开创了光辉灿烂的光纤通信新时期，这是获得诺贝尔物理学奖的华人科学家高锟的杰出贡献。如今百公里以上的现场试验中单根光纤的传输容量已经超过100 Tb/s，而且如此增长的势头尚未减缓，成为光器件向更高性能发展的推动力。与此同时，超级计算机的运算速度（达10Pflop，即1016，或1千万亿或1京次浮点运算）和巨型数据中心的存储容量（达1EB，即1018，或100亿亿字节）都达到空前规模，以致其数据的传输遭遇新的瓶颈，其出路非光莫属，因而数据中心和超级计算的光互连的研究和应用已成为当前又一热点。 不仅如此，一般电脑和

14、高档消费电子产品如数字摄象机等，其信号速率信号和容量也随之不断提高，用光互连代替传统的电连接已提上日程。24连接类型及光互连应用 机柜间机柜间 机柜内机柜内 卡板间卡板间 卡板内卡板内 模块内模块内 芯片内芯片内 通信网通信网 25有源光缆 机柜之间和机柜内采用光纤连接实际上从上世纪末就已开始，称为有源光缆的系列产品不断开发和更新。这种距离层次上光纤互连应用的光器件和模块，基本上可以沿用光通信已有的成熟技术。单芯片收发器单芯片收发器光纤到芯片的连接光纤到芯片的连接26硅光子器件 实现芯片间和芯片内的光互连回路，基于Si-CMOS半导体成熟工艺技术的硅光子器件是最有前途的候选者，它可能构成大规模

15、集成光路，最终将提供复杂的系统级芯片，性能可靠和低成本。 经过近十多年全球范围的共同努力，高性能硅光电子器件的发展以及较高级别的系统中已经取得了巨大进步。基于单片集成的硅调制器和锗探测器的数据链路，每通道的工作速率可达10 Gb/s和12.5 Gb/s，25 Gb/s的光链路产品也即将问世。 （OM2E.6）提出硅光子平台的构建，可以制造低损耗光栅耦合器和波导，以及高带宽的有源元件包括： 20 GHz的波导集成锗pin探测器，19 GHz硅环调制器和18 GHz的马赫-曾德尔行波调制器。器件的带宽足以保证速率为25 Gb/s的数据传输。从八英寸晶圆上所有无源和有源元件的测量数据，显示该器件性能

16、具有高度均匀性。 27硅集成光路设计工艺测试平台Schematic cross-section (not to scale);(b) Typical experimental setup using a fiber array probe and two RF probes. Only a small portion of the 8-inch wafer is shown.From: OFC 2012, OM2E.628SOI上Si-光波导的几何尺寸From: OFC 2012, OTh4D.129高折射率比有利器件小型化From: OFC 2012, OTh4D.130From: OFC

17、2012, OM2E.1硅光子器件的最新进展31表面等离激元波Surface Plasmon Polaritons （SPP）Waves 电介质电介质金 属电子密度波沿金属 - 电介质界面传播的示意图。电荷密度振荡和关联的电磁场被称为表面等离激元波。在右边显示电磁场强度与垂直界面的的距离呈指数关系。这些波可以非常有效地受到可见光的激发。SPP波在电介质中基本上是横向的，而在金属中则是纵向的。32奇幻的 Lycurgus 杯在伦敦大英博物馆展出莱克格斯（在伦敦大英博物馆展出莱克格斯（ Lycurgus ）杯。）杯。莱克格斯杯，从外部照射时，显示为绿色。然而，当从内部照亮，则发红光。这是由于玻璃含

18、有黄金和白银的金属纳米粒子，造成了这些不寻常的光学性质。此物理现象的本源被称为表面等离子激发。 （图片来源：大英博物馆）33为什么要Plasmonics？ 表面等离激元（SPP）是电子密度波，在精确的条件下，当光线照射金属表面时形成。这种电子密度波具有光的频率，占有空间非常小（波长可在纳米尺寸）和速度快。 在理论上它们可以编码大量的信息，大大超过电子传统上所可能的。表面等离激元被认为是体现了光学和电子数据传输两者最强的优势，能在非常小的线上高速传输信息。 光数据传输，如通过光纤，允许高带宽，但需要体积大的“线” 。电子数据传输的工作频率不如光纤，但只需要微小的“线”。 表面等离子激元，有时也被

19、称为“线上的光”（light on a wire ），将允许在一个微小的金属丝表面上以光频传输数据，尽管事实上该数据是以电子密度分布形式传播，而不是光子。 34从理论研究到应用研究 表面等离激元正在成为一个有前途的技术平台，向更小尺寸和更低能耗集成回路的目标努力，对应用于芯片规模和高集成度光互连有巨大潜力。 这门新兴学科 ，是建立在沿金属介质界面电磁波传播的基础上，以这种方式造成较强的模式限制因素，同时使光子器件和电子器件无缝交互。 由于对它能为下一代光互连实现新的性能指标，在过去几年里已经导致大量的研究，将表面等离激元学从原理上的证明上升为合格系统器件的开发理念。 OFC/NFOEC 201

20、2首次加入此内容，并安排了三场专题研讨会，其目的是收集此领域在光互连应用的最新成果，汇集所有相关的概念，制造技术，波导技术，元器件和系统，原则上都可以被利用到数据通信和计算通信等领域。35等离激元波导Schematic of (a) long-range, (b) channel and (c) dielectric-loaded SPP waveguide configurationsFrom: OFC 2012, OW1E.136SPP波导研究论文发表年份From: OFC 2012, OW1E.137有源和无源等离激元器件From: OFC 2012, OW3E.138 非对称Si-DL

21、SPP MZI开关From: OFC 2012, OW3E.33910Gb/s数据操作的实验装置It was demonstrated the first system-level evaluation of an active plasmonic device in 10Gb/s data traffic conditions. Thermo-optic ON/OFF modulation with 3s response time and 10mW power consumption is presented using an asymmetric MZI silicon-plasmonic gate. The A-M