光通信器件现状和演进
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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
2017-9-15 Chen
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。
2017-9-15 Chen 光通信器件 5
各种形式数据指数式增长
（1021字节）
更高的数据速率 更快的数据处理 更好的数据安全
来源：mellanox 2017
2017-9-15 Chen 光通信器件 6
芯片上数据容量增长
当前水平 研究结果
每芯片数据容量（Gb/s）
Infinera的芯片上系统 商用DWDM PIC
2017-9-15 Chen 光通信器件 16
正交振幅调制（QAM）星座图
2017-9-15 Chen
光通信器件
17
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500 Gb /s 的单偏振。所 需要的符号率：
2017-9-15 Chen
光通信器件
18
如何获得T比特的接口
2017-9-15 Chen 光通信器件 24
超通道（Superchannels）
•
•
2017-9-15 Chen
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
光通信器件 25
wenku.baidu.com
336载波25 Tb/s超通道
• 25 Tb/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
• 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] International Data Corporation, 2015 [Online]. Available: https://www.idc.com/. [2] A. Napoli, et al., “Next generation elastic optical networks: The vision of the European research project IDEALIST,” IEEE Commun. Mag., vol. 53, no. 2, pp. 152–162, Feb. 2015.
来源：OFC 2017, Th5C.6
2017-9-15 Chen
光通信器件
30
混合可调激光器结构
Sagnac 回路镜 相移器 倾斜光斑尺 寸变换器
反射半导体 光放大器 （RSOA）
多模干涉器 非对称马赫 曾德干涉镜 （AMZIM） 赛道环形 谐振器
来源：OFC 2017, Th5C.6
2017-9-15 Chen
Agility (JDSU)
SOA section
MMI coupler light output EA modulator
(SG-DBR)
NEC
2017-9-15 Chen
光通信器件
29
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-Nokia Bell-Labs, USA; 2-III-V Lab, 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+ 13 dBm）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35 dB。
• 我国光器件技术突破和创新 • 展望
2017-9-15 Chen 光通信器件 3
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（Claude E.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》（Bell System Technical Journal）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。
21
时分复用 + 偏振复用
In 2000, NTT increased the bit rate by a factor of two to 1.28 Terabit/s using Polarization Multiplexing (PDM)
2017-9-15 Chen
光通信器件
22
利用相位维度
芯片
光有源器件
光无源器件
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）； 光模块与子系统 光纤传感子系统； 等
2017-9-15 Chen 光通信器件 11
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] 。
光通信器件
31
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。
• 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。
2017-9-15 Chen 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。
2017-9-15 Chen 光通信器件 10
通信光器件产品分类
产品类别
主要代表产品
InP芯片（10G/25G DFB、EML芯片、PD芯片，SOA芯片） GaAs芯片（10G/25G VCSEL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 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
(DS-DBR)
AR coating
electro-optic cell
(for electronic tuning diffraction of cavity length)
Iolon (Coherent)
8 DFB-LDs different ’s /4 shift AR coating
grating
年 份
2017-9-15 Chen 光通信器件 7
未来光网络
能源网 家庭 网关 发电厂 有线无线 家居智能 信息网 充电桩 企业 网关 电池
HEMS：家庭能源管理系统
2017-9-15 Chen 光通信器件
BEMS：大楼能源管理系统
8
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；
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
2017-9-15 Chen
光通信器件
1
早 上 好 ！
2017-9-15 Chen 光通信器件 2
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
2017-9-15 Chen 光通信器件 12
骨干和城域光网用 高速光器件
2017-9-15 Chen
光通信器件
13
提高容量的三个物理维度
高阶调制 星座多重性
符号速率
多重子载波
2017-9-15 Chen 光通信器件 14
多（高）阶调制格式
调 制 属 性 幅 值 相 位 偏 振
相干检测 直接检测
2017-9-15 Chen
光通信器件
26
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。
2017-9-15 Chen 光通信器件 27
单载波高符号率系统
Generally best to use highest economically feasible electronic rates
2017-9-15 Chen 光通信器件 20
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。
2017-9-15 Chen 光通信器件
[H.-G. Weber et al. J. Lightwave Technol., 24,4616–4627 (2006)]
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
2017-9-15 Chen
光通信器件
23
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。
光通信器件
2017-9-15 Chen
15
星座图
• 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-4
QPSK
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)
2017-9-15 Chen
光通信器件
28
可调激光器
Intel Santur
PZT (mechanical cavity
length tuning)
Syntune
laser diode collimating lens HR coating
tuning mirror output beam
Bookham
偏振 频率
空间
物理维度
时间
正交
• 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，
来源：OFC 2015，M3G.1
2017-9-15 Chen 光通信器件 19
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。
这场革命将导致 全球技术经济结 构引发巨大变化
2017-9-15 Chen
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。
2017-9-15 Chen 光通信器件 5
各种形式数据指数式增长
（1021字节）
更高的数据速率 更快的数据处理 更好的数据安全
来源：mellanox 2017
2017-9-15 Chen 光通信器件 6
芯片上数据容量增长
当前水平 研究结果
每芯片数据容量（Gb/s）
Infinera的芯片上系统 商用DWDM PIC
2017-9-15 Chen 光通信器件 16
正交振幅调制（QAM）星座图
2017-9-15 Chen
光通信器件
17
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500 Gb /s 的单偏振。所 需要的符号率：
2017-9-15 Chen
光通信器件
18
如何获得T比特的接口
2017-9-15 Chen 光通信器件 24
超通道（Superchannels）
•
•
2017-9-15 Chen
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
光通信器件 25
wenku.baidu.com
336载波25 Tb/s超通道
• 25 Tb/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
• 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] International Data Corporation, 2015 [Online]. Available: https://www.idc.com/. [2] A. Napoli, et al., “Next generation elastic optical networks: The vision of the European research project IDEALIST,” IEEE Commun. Mag., vol. 53, no. 2, pp. 152–162, Feb. 2015.
来源：OFC 2017, Th5C.6
2017-9-15 Chen
光通信器件
30
混合可调激光器结构
Sagnac 回路镜 相移器 倾斜光斑尺 寸变换器
反射半导体 光放大器 （RSOA）
多模干涉器 非对称马赫 曾德干涉镜 （AMZIM） 赛道环形 谐振器
来源：OFC 2017, Th5C.6
2017-9-15 Chen
Agility (JDSU)
SOA section
MMI coupler light output EA modulator
(SG-DBR)
NEC
2017-9-15 Chen
光通信器件
29
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-Nokia Bell-Labs, USA; 2-III-V Lab, 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+ 13 dBm）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35 dB。
• 我国光器件技术突破和创新 • 展望
2017-9-15 Chen 光通信器件 3
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（Claude E.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》（Bell System Technical Journal）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。
21
时分复用 + 偏振复用
In 2000, NTT increased the bit rate by a factor of two to 1.28 Terabit/s using Polarization Multiplexing (PDM)
2017-9-15 Chen
光通信器件
22
利用相位维度
芯片
光有源器件
光无源器件
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）； 光模块与子系统 光纤传感子系统； 等
2017-9-15 Chen 光通信器件 11
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] 。
光通信器件
31
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。
• 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。
2017-9-15 Chen 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。
2017-9-15 Chen 光通信器件 10
通信光器件产品分类
产品类别
主要代表产品
InP芯片（10G/25G DFB、EML芯片、PD芯片，SOA芯片） GaAs芯片（10G/25G VCSEL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 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
(DS-DBR)
AR coating
electro-optic cell
(for electronic tuning diffraction of cavity length)
Iolon (Coherent)
8 DFB-LDs different ’s /4 shift AR coating
grating
年 份
2017-9-15 Chen 光通信器件 7
未来光网络
能源网 家庭 网关 发电厂 有线无线 家居智能 信息网 充电桩 企业 网关 电池
HEMS：家庭能源管理系统
2017-9-15 Chen 光通信器件
BEMS：大楼能源管理系统
8
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；
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
2017-9-15 Chen
光通信器件
1
早 上 好 ！
2017-9-15 Chen 光通信器件 2
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
2017-9-15 Chen 光通信器件 12
骨干和城域光网用 高速光器件
2017-9-15 Chen
光通信器件
13
提高容量的三个物理维度
高阶调制 星座多重性
符号速率
多重子载波
2017-9-15 Chen 光通信器件 14
多（高）阶调制格式
调 制 属 性 幅 值 相 位 偏 振
相干检测 直接检测
2017-9-15 Chen
光通信器件
26
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。
2017-9-15 Chen 光通信器件 27
单载波高符号率系统
Generally best to use highest economically feasible electronic rates
2017-9-15 Chen 光通信器件 20
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。
2017-9-15 Chen 光通信器件
[H.-G. Weber et al. J. Lightwave Technol., 24,4616–4627 (2006)]
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
2017-9-15 Chen
光通信器件
23
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。
光通信器件
2017-9-15 Chen
15
星座图
• 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-4
QPSK
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)
2017-9-15 Chen
光通信器件
28
可调激光器
Intel Santur
PZT (mechanical cavity
length tuning)
Syntune
laser diode collimating lens HR coating
tuning mirror output beam
Bookham
偏振 频率
空间
物理维度
时间
正交
• 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，
来源：OFC 2015，M3G.1
2017-9-15 Chen 光通信器件 19
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。