光通信技術和應用新進展

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OFC2015觀感陳益新上海交通大學2015年5月晨曦布面油畫55X116cm陳益新

2014年2月目錄概況網絡未來技術預期海底網及其光器件下一代光接入網云計算和數據中心空分復用相干探測硅光子結束語OFC2015

會展概況12,375人參加和參觀了會議和展覽包括了65多個國家和地區560

余家企業和廠商參加展出，展覽區域占地面積共106,700平方英尺。51%來自美國以外，中國大陸和臺灣展商達117家，其中大陸98家，占全體展商的20%。會議論文1,230

篇，40%來自亞太地區。11個會場同時舉行，308篇口頭報告，109篇特邀報告，3篇全體大會報告。由于有11個平行會場，一個人無法同時都參加，從去年開始有了報告錄音放在網站上，便于與會者會后收看。最新技術和熱門話題相干探測WSS/ROADMVCSEL/可調激光器跨洋和超長距離傳輸空分復用(SDM)硅光子/集成光電子下一代光接入網/FTTH光纖和無線融合高速光網絡千億位（100G）以太網軟件定義網（SDN）網絡管理和自動測試光分組交換光互連/光開關100Gb/s器件和設備WDM網絡未來技術預期大會報告：未來的傳輸網光學可以卓越地長距離傳送信息，但交換方式有限；電子是優于處理和存儲信息，因此適合復雜的交換形式，包括分組交換和路由。光電子能橋接這兩個領域，并已取得良好的進展。特別是相干檢測以及高速電子器件和光學器件集成的發展，但是光電子產品目前仍太昂貴，應用受到一定限制。大規模（云）計算中海量數據中心的形式傳遞，已促使了采用SDN般的方法對網絡功能部分的集中處理的討論。傳輸網絡的未來取決于所有這些技術的發展。不幸的是，使用令人混淆的術語、行業筒倉、圍繞某些特定技術的炒作，和延長過時技術的壽命的議程，已經在傳輸網絡應該如何發展的討論中迷失方向。本報告著眼于發展上述所有技術，并嘗試描繪在未來五年中將應該采取和可能采取的傳輸網絡。來源：OFC2015Plenary近27年光學成就容量X距離：提高達到107（1千萬倍）近27年電子學成就晶體管數X

Hz：提高達到107（1千萬倍）物理本質的含義光學和電子學的優勢是互補的電子學主宰的邏輯和存儲器件構建網絡節點光學主宰的全部距離的通信形成網絡的鏈路兩項技術對建立網絡都是必須的關鍵的問題是反復轉換的費用對于大多數應用，“光學節點”和“電子鏈路”是毫無意義的。應該集中解決能夠造就網絡最經濟的問題。1991-2015網絡成就互聯網指數增長，不管使用什么度量。用戶數：3X109倍設備數：5X109倍網址數：2X108倍應用數：1X107倍總帶寬：5X107倍互聯網構建只需要兩項結構模塊快速現代IP路由器高速點到點光路因此，互聯網的迅速成長成為可能，是由于現代IP路由器性能的指數增長光路的帶寬距離乘積指數增長網絡的基本構成互聯網構建主要依靠二類基本結構模塊，現代快速IP路由器和高速點到點的光通道。指數式增長是互聯網價值最清晰的說明，規模、可靠、互動以及經濟是其誘人的關鍵光學可以卓越地長距離傳送信息，但交換方式有限；電子是優于處理和存儲信息，因此適合復雜的交換形式，包括分組交換和路由。光電子能橋接這兩個領域，并已取得良好的進展。特別是相干檢測以及高速電子器件和光學器件集成的發展，但是光電子產品目前仍太昂貴，應用受到一定限制。網絡作為未來社會最重要的基礎設施將繼續向更大的廣度和深度發展，網絡將無處不在，并且互連互通，預期：網絡的未來（1）網絡將無處不在，并且互連互通從WAN直到計算機背板，以至到人體從有線，到固定無線，到移動通信幾乎網絡中所有節點都將為IP路由器除非在成本/位和功耗/位要求非常低的場合以及允許光路交換的限制（例如：ROADM，MEMS等）幾乎網絡中所有鏈路都將為點到點，且都是光的除非在距離非常短（<2米）時，還可能用銅線電光間的轉換成本將全面急劇降低對LAN距離的成本為最低，因為問題最簡單對MAN距離的比較高，因為問題比較困難對WAN距離的最高，因為問題最難預期：網絡的未來（2）電光接口將對所有各種距離實行標準化這是使成本大幅度下降所必要的先導光和電子集成于單一管殼，將成為標準化，對于LAN應用很可能，對于MAN應用有可能，對于WAN應用IP分組交換和光傳輸作為單獨的網絡將不復存在結果將導致服務提供商費用大量減少（可達3倍）集中業務流程系統將向外擴展的計算應用到網絡配置，為了快速發展服務通過高級別控制，優化對網絡帶寬的利用預期：網絡的未來（3）向外擴展的計算將被用于補充某些L4-L7功能可以讓服務提供商添加其增值服務光電子技術將使電子器件容量與光纖可能的容量相匹配固定的速率（10G、40G、100G）將會消失通過根據需要由靈活分配的頻譜單元所取代光纖的帶寬成為稀缺的資源可用帶寬的所有可能Hz最終將被用完這將需要使用平行光纖和并行光電器件我們要求開創更好的概念用來代替這種并行性海底網及其光器件海底傳輸演進里程碑TAT-1(1956-1978)第一條跨大西洋電話海纜系統起始開通36話路，最終為48話路采用電子中繼放大成為美國和蘇聯當年國家首腦的熱線TAT-7(1978-1994)起始開通4000話路，最終為10,500TAT-8(1988-2002)第一條跨大西洋海底光纜系統295.6Mbit/s傳輸速率or40,000話路TAT12/13(1996-2008)-跨大西洋光纜環路系統采用EDFA技術

2x5Gb/s通道

海纜系統容量增長海底光纖系統及其應用?通信?

海洋石油和天然氣的應用?科學研究跨洋光纖系統最長距離光纜裝載和敷設船兩類海底光纜傳輸系統有中間放大：傳輸距離可長達12000公里周期使用EDFA（50～100公里）從海岸遠程供電無中間放大：距離一般在500公里以內遠程放大可用拉曼和EDFA混合放大器用于有放大系統的海底光纜海底放大器和光纜供電海底OADM干線和支網相干技術：改變游戲規則頻譜效率：越洋遠程傳輸實驗室演示和實用光纖容量：

相干時代前后對比PracticalfibercapacitybeforecoherentRx光纖作為支持技術實用的100Gb/s的系統設計通過SDM提升功率效率海底光纜系統新技術展望相干技術可以提升海底系統的容量使傳統系統的容量增加了數倍為新一代無色散補償的系統帶來了生機，每光纖容量超過10Tb/s實驗室的實驗結果接近香農極限容量進一步的增加，可以實現更高的帶寬利用：頻譜整形和可變頻譜效率將帶寬擴展到L波段下一步是不是采用SDM技術？功率效率是一個有吸引力的論述下一代光接入網未來光接入網的目標來源：OFC2015Th1H.1什么是OFDMA？來源：OFC2015Th1H.1實現OFDMA的拼圖來源：OFC2015Th1H.1OFDMA的優點及挑戰AdvantagesofOFDMA:FlexibilityintimeandfrequencydomainContinuousoperation(insteadofburstoperation)OFDMAforflexiblecapacityallocationamongONUs來源：OFC2015Th1H.1靈活的容量分配日本光接入網應用現狀根據對當前實際應用的分析，光接入網與移動通信的融合已是顯而易見了。新近，光纖到到戶（FTTH）和長期演進（LTE）移動用戶在日本已經分別為到25和50億。這些數字對應于幾乎總數一半的日本家庭和幾乎一半的日本人口。對于FTTH服務，NTT-東和-西自2004年以來已經部署了1Gbps的時分復用（TDM）的無源光網絡（PON）。用戶的數量現在已經達到了1800萬，1Gbps的帶寬服務獲得廣泛應用。From:OFC2015,Th3B.1日本接入網用戶增長趨勢TrendinsubscribernumberinJapanFrom:OFC2015,Th3B.1日本通信總業務量的趨勢TotaltrafficvolumetrendinJapan(download)From:OFC2015,Th3B.1未來無線接入的關鍵技術KeytechnologiesoffutureradioaccessFrom:OFC2015,Th3B.1未來的移動光網絡FuturemobileopticalnetworkFrom:OFC2015,Th3B.1SmallcellNTT多業務光接入平臺建議From:OFC2015,Th3B.1光接入網演進時間表From:OFC2015,Th3B.1綜合多業務光接入平臺需要對光接入網的發展趨勢和應用的驅動因素進行全面確切分析，使不同地區的光接入網構建具有針對性和靈活性。必須認識到，未來光接入系統需要為5G移動和4K/8KIP-TV提供最大帶寬，而不是預測匯總平均業務量。日本NTT提出了一個綜合多業務光接入平臺，以滿足這些不同的業務需求靈活，從中可有所借鑒。一個基于10Gbps帶寬的可調諧WDM/TDM-PON或NG-PON2，可為需要提供全方位應用的基礎設施平臺的實用可選方案。云計算和數據中心網絡演變滿足云服務爆炸互聯網內容高度集中，機到機信息傳遞的興起，以及社交媒體的泛濫已經引起了云服務的爆發式增長。云由三個同樣重要系統所組成；數據中心，使這些數據中心彼此互連的網絡，以及最終用戶（可能是機器）連接到這些數據中心的網絡。直到最近，數據中心的互連網絡（DCI）和最終用戶與數據中心間的網絡被認為是一個通用的網絡。其實，這些網絡的要求和能力實際上是相當不同的。它正變得越來越普遍地將其分別處理，尤其是那些最大的云運營商。當前關注重點放在DCI網絡和城域匯聚網絡，為最終用戶連接到云中。城域數據中心互連（DCI）數據中心在大都市區發展迅速以提供接近最終用戶。大都市在物理空間、電力供應和兩者的成本方面的約束，限制了城域數據中心的規模在ACG所謂的中等規模：50,000個服務器與這些服務器50％使用10G網卡。城域或地區網能夠容納單個云運營商和多個云運營商的多個城域數據中心。ACG預測，到2019年將會有比今天的城域數據中心60％以上。所有這些數據中心在單個云運營商的情況下直接互連，或在云運營商之間的數據中心互連的情況下，通過云交換數據中心互連。稱這些互連為城域數據中心互連（DCI）。

城域匯聚和長途DCI最終用戶可以通過他們的互聯網服務提供商（ISP）直接連到這些城域云，或通過云交換連接，后者是比較典型的為大型企業客戶。這些互連稱為城域匯聚（MetroAggregation）。在數據中心規模的另一類，是超大規模或大型數據中心。ACG劃分此類數據中心擁有20萬以上服務器，其中全部使用10G網卡。由于空間和電力的經濟因素，這些數據中心通常建立在全球各地的偏遠鄉村地區。這些數據中心連接回城域數據中心和交換云，要長途數據中心互連（LHDCI）網絡。云的帶寬增長在接下來的四年中，帶寬的增長速度為城域匯聚，城域DCI和LHDCI網絡預計30-35％，120％，42％。該DCI增長率超過了城域匯聚增長率由于再加上城域數據中心增長的帶寬放大效應。這方面的一個很好的，但不是唯一的例子出現在Facebook的流量。從最終用戶的一個http請求將導致數據中心流量>900倍的初始查詢的大小。許多通信仍是一個單個的數據中心內，但此流量穿過DCI網絡即使15％，結果是>100X帶寬放大相對于流量穿過城域匯聚網絡到云。DCI與傳統通信網分合云計算正成為帶寬增長的驅動因素。帶寬放大效應導致對DCI的容量需求，既超越城域匯聚網的絕對量-兩個數量級-

也超過其增長速度。這種差別以及在運營環境和服務能力的顯著差異，導致大云運營商從他們的用戶接入（城域匯聚）網與他們的DCI網分離開來。雖然傳統的城域網絡提供裝備精良，并以光分組交換基礎設施改進他們的網絡，并最終采用SDNWAN技術，目前尚不清楚他們是否能夠與正在建立和經營DCI網絡的純玩云計算的運營商進行競爭。網絡市場的這種差異將可能導致新網絡設備和新系統架構的誕生。DCI網絡設計決定DCI網絡設計的原則，是對數據中心內部基礎架構同樣重要的那些驅動因素。除了價格考量外，關鍵決定因素：密度——每設備的物理尺寸（機架空間）的比特/秒數功率效率——每比特/秒的瓦數操作簡單——網絡設備被集成到云運營商使用的自動化服務管理系統的能力；此外，還考慮易用性和容量提升速度。DCI網絡通常是IP，不需要支持多個服務，這些網絡不提供異構終端用戶網絡。端口（10G/40G/100G）的高速以太網客戶端是首選的，因為他們能使云運營商積極搭乘以太網，降低成本，同時最小影響光纖容量。跨數據中心的互連基于云計算服務的出現和迅速普及刺激了光網絡技術的新發展，不僅為客戶提供高光纖容量，還需要創造為使用這些網絡新的集中管理模式。在地理位置分布在全球各地的大型數據中心，需要通過地面的長途鏈路和海底越洋鏈路實現可擴展的連接，為處理跨數據中心的機器對機器通信提供足夠容量和速率的連接。需要在數據中心之間轉移空前巨大的數據量，對跨數據中心的光纖骨干網提出了新的要求和挑戰。大多數跨數據中心骨干網絡需要全球覆蓋，大容量和固有的冗余度。來源：OFC2015Tu3H.1數據中心陸海互連示意圖聯接干廠房和濕廠房的海底DWDM鏈路圖解設計來源：OFC2015Tu3H.1用于DC內100G可調收發器隨著大型數據中心容量日益增長，目前數據中心網絡內（iCDN）的10和40GbE接口流通量及線卡密度已面臨限制，下一代千億位以太網的接口（100GbE）具有克服這一困境的潛能。為此，歐美多國的幾家公司和研究單位聯合研發了采用聚合物混合集成的可調收發器，用于柔性數據中心內部的100GbE互連。應用該可調收發器在現代iCDN實現100Gb/s傳輸，距離為1625米，調諧帶寬為22納米。來源：OFC2015Tu2A.3100G可調發送器版圖(a)100G可調發送器版圖,(b)光學組件包括增益芯片(GC)和二塊聚合物板來源：OFC2015Tu2A.3無源和EO聚合物波導(c)無源聚合物板的波導截面和TM模輪廓，

(d)EO聚合物板的，(e)二聚合物板之間耦合損耗對無源聚合物板錐面寬度的關系，二插圖分別表示通過EO聚合物板后15dBTM/TE模抑制對應的TM和TE模。來源：OFC2015Tu2A.3MUX-DRV電路及輸出(f)MUX-DRV電路的顯微照片，(g)MUX-DRV電路的100G/s輸出，(h)最后裝入盒中的發送器組件。來源：OFC2015Tu2A.3空分復用光纖傳輸容量極限來源：OFC2015Th4C.1空分復用（SDM）必要性在過去30年中，由于時分復用（TDM）、波分復用（WDM）以及數字相干傳輸技術的發展，光纖的傳輸容量增加了至少五個數量級。然而，由于通過光纖的非線性效應和單纖芯功率可傳播的限制，單模光纖（SMF）傳輸的理論極限保持在大約100Tb/s。為了克服這些限制，另外采用空分復用（SDM）已經吸引了大量的研發興趣。各種SDM傳輸試驗已經完成，并已在每條光纖的容量、容量距離積刷新記錄。為了進一步提高SDM傳輸容量，繼續不斷開創多種新的途徑是必要的。單模多芯光纖傳輸試驗例舉來源：OFC2015Th4C.1制造成的弱耦合多芯光纖來源：OFC2015Th4C.1實現多芯光纖傳輸需解決的問題來源：OFC2015Th4C.1密集空間復用（DSDM）日本NTT探討了最新的SDM傳輸試驗，并描述密集的SDM（DSDM）與空間復用度高于30，這是我們提出并論證了一個12芯3模式多芯少數模光纖（MC-FMF）。類似于密集WDM（DWDM）具有密集波長間隔和多達數十個波長的高信道數，我們證明，高空間密度和大的空間復用度的密集SDM（DSDM），可有效地顯著擴大傳輸容量。來源：OFC2015Th1D.2SDM傳輸方式矩陣

SDM傳送矩陣：表的列劃分光纖中光傳播的狀態，即：非耦合單模（I），耦合超級模（II）單芯或多芯中多模/少模（III）。表的行區分傳輸光纖具有多個（A）或單個（B）空間信道組。（IA）非耦合多芯，（IIA），耦合芯組，（IIIA）多芯少模，（IIB）耦合芯，（IIIB）單芯少模/多模。來源：OFC2015Th1D.2頻譜效率和空間復用度傳輸實驗來源：OFC2015Th1D.2多芯多模光纖DSDM傳輸試驗第一次DSDM傳輸試驗證實，多芯多模光纖傳輸可以提供高空間和頻譜效率。每mm2的光纖截面的空間效率提高超過幾千％，這就可能使SMF傳輸容量提高100倍以上。可以預期，DSDM下一步將邁向超高容量，并需要在信號處理、光纖、器件集成和放大技術有更多進步，。來源：OFC2015Th1D.2空分復用最新結果日本大阪大學和KDDI實驗室在會議過期文章報道，他們在非耦合的19纖芯中傳輸6個弱耦合模式。空分復用度達到114，匯集波譜效率超過345bit/s/Hz。相干探測光通信歷史簡要回顧來源：OFC2015Th4F.4IMDD與相干接收的比較（強度調制直接探測）（相位調制相干探測）相干系統分類系統

中繼器接收器噪聲系數

調制參數載波相位不敏感

EDFA外差式3分貝

同相和正交

相位分集零差式載波相位敏感簡并參量放大器

零差式

0分貝

同相或正交載波相位不敏感：載波相位恢復在光域是沒有必要。

載波相位敏感：載波相位恢復必須在光域完成。相干光通信早期建議為什么對相干檢測的研發

在1990年以后中斷？在EDFA為基礎的系統中，散粒噪聲對接收機靈敏度的限制不再重要，的這里ASE噪聲占主導地位。相干接收機的其他優點，如多級調制和后處理功能，由于成本增加不那么有吸引力。當時難以解決的技術問題：

（1）外差式接收機需要一個IF比位速率要高得多。

（2）零差式接收機需要利用光學鎖相環以自適應方式應對載波相位的波動。

（3）相位分集零差式接收器所需的高速DSP電路。基于DSP的解調器：相干檢測復興數字相干接收機的概念載波相位跟蹤和偏振對準可以在數字域中進行。數字相干光通信系統的構建模塊相干光通信未來挑戰相位和偏振分集、雙平衡光電二極管以及可調本地振蕩器的光子集成是一項重要任務。相干發射機和接收機的高速操作依賴于高速DAC，ADC和DSP的發展。更靈活的DSP算法，應該可以實現“自適應調制和編碼”。降低光纖非線性是需要加以處理剩下未解決的最重要的問題之一。數字相干技術也可以應用到中等/短距離（<100公里）諸如數據中心網絡和接入網絡。硅光子什么是硅光子？采用半導體的CMOS工藝技術制造硅光子集成芯片融合光子器件和CMOS集成電路硅光子的優點是提高光子器件集成水平并改進的性能，以及更好的工藝控制并降低成本。晶圓級測試低成本的封裝波分復用，提高速率>1Tb/s解決數據中心、超級計算機和集成電路中電互連的限制，代之以高容量、低成本的光互連；處理器，存儲器和開關的嵌入式發射機/接收機。逐年硅光子科技論文發表數量來源：OFC2015W1B.12014年從事硅光子的公司來源：OFC2015W1B.1硅光波導和無源波導器件控制偏振的硅光子器件超小型硅基WDM濾波器Ge-SiPD和調制器IMEC25Gb/s硅光子平臺硅：間接帶隙半導體InPSi硅如何發光？異質（混合）硅激光器異質集成技術硅基III-V光放大器TaperedIII-VactivedeviceBCBbondinglayerTaperedSOITaperIITaperIActuallength300mm28Gb/s3D-硅光