帶寬光網(wǎng)和光器件創(chuàng)新OFCNFOEC2012課件

帶寬、光網(wǎng)和光器件創(chuàng)新陳益新上海交通大學(xué)2012.5.10OFC/NFOEC2012一瞥2012-5-10,Chen1PhotonicDeviceInnovation

帶寬、光網(wǎng)和光器件創(chuàng)新陳益新OFC/NFOEC2內(nèi)容前言未來高速光網(wǎng)絡(luò)器件下一代光接入網(wǎng)器件光互連器件

結(jié)束語2012-5-10,Chen2PhotonicDeviceInnovation內(nèi)容前言2012-5-10,Chen2Photonic三個(gè)大會(huì)報(bào)告“帶寬，光學(xué)和豐富的年代”MiloMedinVicePresident,AccessServices,Google.

“如何設(shè)計(jì)和建造你自己的極大規(guī)模電腦”GregPapadopoulos,Ph.D.VenturePartner,NewEnterpriseAssociates.

“日本電信網(wǎng)絡(luò)的災(zāi)難恢復(fù)和研發(fā)政策”IsaoSuginoDirectoroftheResearchandDevelopmentOffice,TechnologyPolicyDivision,GlobalICTStrategyBureau,MinistryofInternalAffairsandCommunications,Japan.

2012-5-10,Chen3PhotonicDeviceInnovation三個(gè)大會(huì)報(bào)告“帶寬，光學(xué)和豐富的年代”“如何設(shè)計(jì)和建造你自己前言帶寬需求的爆炸，強(qiáng)烈推動(dòng)了向更高速率、更大容量和更大規(guī)模的光網(wǎng)演進(jìn)。先進(jìn)的光網(wǎng)建設(shè)，離不開器件提供保證。發(fā)展光網(wǎng)是器件持續(xù)創(chuàng)新的動(dòng)力，高性能的器件是光網(wǎng)得以不斷升級(jí)的基礎(chǔ)和先行。單纖速率100Gb/s技術(shù)和器件已基本具備，400Gb/s和1Tb/s正在開發(fā)和試驗(yàn)中。千兆位（

Gb/s）帶寬直通到家庭只是時(shí)間問題。10Gb/sG(E)-PON還不能這樣的帶寬要求，涌現(xiàn)出許多新方案。100米以下距離的光互連已顯示出強(qiáng)大生命力，正在向更短距離邁進(jìn)，應(yīng)用面不斷開拓。2012-5-10,Chen4PhotonicDeviceInnovation前言帶寬需求的爆炸，強(qiáng)烈推動(dòng)了向更高速率、更大容量和更大*每條光纖在過去的25年期間，系統(tǒng)容量增加了近5個(gè)數(shù)量級(jí)！光纖通信系統(tǒng)的容量*和網(wǎng)絡(luò)流量的進(jìn)展2012-5-10,Chen5PhotonicDeviceInnovation*每條光纖在過去的25年期間，系統(tǒng)容量增加了近5個(gè)數(shù)量級(jí)！光長(zhǎng)距離光網(wǎng)速率邁向400G和1T100Gb/s波分復(fù)用傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)和器件已趨成熟，其核心主要為偏振復(fù)用（PDM）、正交四相位調(diào)制（QPSK）、相干接收和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。在長(zhǎng)距離骨干光網(wǎng)方面，隨著40Gb/s和100Gb/s級(jí)光傳輸系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)迅速部署，研究人員已經(jīng)開始了對(duì)400Gb/s到1Tb/s的系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。邁向下一代的比特率，除偏振復(fù)用外，還需要加以更復(fù)雜的如正交振幅調(diào)制（QAM）和正交頻分復(fù)用（OFDM）等多種調(diào)制模式。目前，高比特率16-QAM、64-QAM以及甚至256-QAM的系統(tǒng)被認(rèn)為是一種很好的權(quán)衡，可以使長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)最大限度地提高頻譜效率（SE）。2012-5-10,Chen6PhotonicDeviceInnovation長(zhǎng)距離光網(wǎng)速率邁向400G和1T100Gb/s波分復(fù)用傳輸102.3-Tb/s的（224x548-Gb/s）C-和擴(kuò)展L波段的全拉曼放大傳輸240公里，使用數(shù)字導(dǎo)頻的PDM-64QAM單載波頻分復(fù)用（SC-FDM）Abstract:Wedemonstrate102.3Tb/stransmissionover3x80kmofPSCFbyemploying548-Gb/sPDM-64QAMsingle-carrierfrequency-division-multiplexing(SC-FDM)signalswithpilottoneand11.2-THzultra-widebandlow-noiseamplificationintheC-andextendedL-bands.摘要：我們驗(yàn)證了在3x80公里的純石英芯光纖（PSCF）上成功實(shí)現(xiàn)102.3Tb/s的傳輸，采用548Tb/sPDM-64QAM單載波頻分復(fù)用（SC-FDM）帶有數(shù)字導(dǎo)頻的信號(hào)，和在C波段和擴(kuò)展L波段應(yīng)用11.2-THz超寬帶低噪聲放大。From:OFC2012PDP5C.3（日本NTT等）2012-5-10,Chen7PhotonicDeviceInnovation102.3-Tb/s的（224x548-Gb/s）C-和22-DP-8QAM/QPSK光超通道，在1,503公里安裝的SSMF上實(shí)現(xiàn)21.7Tb/s的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)From:OFC2012PDP5D.6美國Verizon公司和NEC實(shí)驗(yàn)室等2012-5-10,Chen8PhotonicDeviceInnovation22-DP-8QAM/QPSK光超通道，在1,503公里安裝光纖傳輸容量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)1Tb/s以上傳輸容量的試驗(yàn)結(jié)果>（星號(hào)：本項(xiàng)工作；三角形：以前報(bào)道的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；虛線：容量距離乘積的等價(jià)曲線）From:OFC2012PDP5D.62012-5-10,Chen9PhotonicDeviceInnovation光纖傳輸容量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)1Tb/s以上傳輸容量的試驗(yàn)結(jié)果>（星空分復(fù)用：多芯光纖應(yīng)用空分復(fù)用（SMD）可以有效提高光纖傳輸容量，包括多芯光纖和少模光纖(模式復(fù)用)兩種方案。從日本最新報(bào)導(dǎo)，19-芯光纖采用100-WDMPDM-QPSK信號(hào)，其傳輸容量的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果達(dá)到305-Tb/s。19-芯光纖截面圖19光束（透鏡面）光學(xué)耦合示意圖，波長(zhǎng)1.55mFrom:OFC2012PDP5C.12012-5-10,Chen10PhotonicDeviceInnovation空分復(fù)用：多芯光纖應(yīng)用空分復(fù)用（SMD）可以有效提高光纖傳輸未來光接入網(wǎng)的要求運(yùn)營商對(duì)面向未來光接入網(wǎng)的基本要求主要包括：（一）同時(shí)支持傳統(tǒng)的、新興的和移動(dòng)通信回程服務(wù);（二）最大程度地利用現(xiàn)有ODN;（三）靈活的帶寬升級(jí)和管理;（四）能提供比現(xiàn)有的接入網(wǎng)絡(luò)更高的帶寬/容量和分流比;（五）在成本、性能和節(jié)約能源方面的優(yōu)化技術(shù)組合;（六）非侵入性的故障診斷與迅速恢復(fù)的服務(wù)。具體說，高于10Gb/s（或稱NG-PON2）的未來光接入網(wǎng)系統(tǒng)的性能，必須支持每用戶擁有1Gb/s的對(duì)稱平均速率，系統(tǒng)覆蓋60至100公里，用戶數(shù)達(dá)到1000以上，適應(yīng)多種服務(wù)融合，并能滿足接入市場(chǎng)的成本約束。

2012-5-10,Chen11PhotonicDeviceInnovation未來光接入網(wǎng)的要求運(yùn)營商對(duì)面向未來光接入網(wǎng)的基本要求主要包未來光接入網(wǎng)的解決方案高速（40Gb/s）TDM-PONWDM-PON波長(zhǎng)再利用（RSOA）WDM-PON，注入種子（injection-seeded）WDM-PON，自種子（self-seeding）WDM-PON可調(diào)諧（Tunable）WDM-PON超密集（UltraDense）WDM-PON

混合WDM-PON時(shí)分/波分混合（TWDM）TDM-WDM-PON長(zhǎng)距離（LR）PON正交頻分復(fù)用接入（OFDMA-PON）光碼分復(fù)用接入（OCDMA-PON）相干探測(cè)PON2012-5-10,Chen12PhotonicDeviceInnovation未來光接入網(wǎng)的解決方案高速（40Gb/s）TDM-PON2WDM-PON的系統(tǒng)基本架構(gòu)WDM-PON的系統(tǒng)架構(gòu)。插圖：上行和下行波長(zhǎng)通道分配，分開為兩個(gè)波段2012-5-10,Chen13PhotonicDeviceInnovationWDM-PON的系統(tǒng)基本架構(gòu)WDM-PON的系統(tǒng)架構(gòu)。插圖采用RSOA的ONU結(jié)構(gòu)采用反射半導(dǎo)體光放大器（RSOA）的用戶ONU結(jié)構(gòu)2012-5-10,Chen14PhotonicDeviceInnovation采用RSOA的ONU結(jié)構(gòu)采用反射半導(dǎo)體光放大器（RSOA）COAWG采用可調(diào)諧激光器的用戶ONU結(jié)構(gòu)采用可調(diào)諧激光器的ONU結(jié)構(gòu)2012-5-10,Chen15PhotonicDeviceInnovationCOAWG采用可調(diào)諧激光器的用戶ONU結(jié)構(gòu)采用可調(diào)諧激光長(zhǎng)距離PONs基本思想：通過延伸接入網(wǎng)與城域網(wǎng)相互融合，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋，從而減少設(shè)備接口和網(wǎng)絡(luò)單元、功耗、管理和運(yùn)營費(fèi)用等，以實(shí)現(xiàn)降低單位帶寬成本的最終目標(biāo)。http://cordis.europa.eu/infowin/acts/rus/trials/ac050.htm核心網(wǎng)城域網(wǎng)接入網(wǎng)2012-5-10,Chen16PhotonicDeviceInnovation長(zhǎng)距離PONs基本思想：通過延伸接入網(wǎng)與城域網(wǎng)相互融合，擴(kuò)FSAN提出的PON演進(jìn)路線FSAN提出的10Gb/s以上PON（NG-PON2）技術(shù)路線圖FSAN：“全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)”論壇2012-5-10,Chen17PhotonicDeviceInnovationFSAN提出的PON演進(jìn)路線FSAN提出的10Gb/s居民接入網(wǎng)的技術(shù)路線From：OFC2012Workshop，NTTHybridWDM/TDM-PONwithopticalamplifieristhebestcandidateforNG-PON2！2012-5-10,Chen18PhotonicDeviceInnovation居民接入網(wǎng)的技術(shù)路線From：OFC2012WorkshPON演進(jìn)的不同路線Eitherway,wewilleventuallyseecolorlessDWDM-PONinaccessnetwork.2012-5-10,Chen19PhotonicDeviceInnovationPON演進(jìn)的不同路線Eitherway,wewillWDM-PON實(shí)驗(yàn)研究報(bào)導(dǎo)2012-5-10,Chen20PhotonicDeviceInnovationWDM-PON實(shí)驗(yàn)研究報(bào)導(dǎo)2012-5-10,Chen20P商品化的WDM-PONFrom：Workshop2012，mel2012-5-10,Chen21PhotonicDeviceInnovation商品化的WDM-PONFrom：Workshop2012未來光接入網(wǎng)需要的光器件

未來光接入網(wǎng)，需要一系列創(chuàng)新的無源和有源光器件，特別是要求低成本和低能耗，不斷提高器件的集成化程度將是關(guān)鍵。以可調(diào)諧WDM-PON為例，在光線路終端（OLT）的發(fā)射器中需要集成的激光器陣列和濾波器（AWG），在一個(gè)芯片上有40通道和多通道激光驅(qū)動(dòng)器；在接收器中是集成的PD陣列和AWG。在遠(yuǎn)端（RN）需要無熱AWG，以及高分路比的PLC分路器。對(duì)于用戶端的光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU），要求低成本的可調(diào)諧激光器，（無熱電制冷器、無波長(zhǎng)鎖定、無校準(zhǔn)）；以及集成的L/C耦合器、可調(diào)諧激光器和光電二極管。對(duì)于LR-PON，需要低成本的光放大器。2012-5-10,Chen22PhotonicDeviceInnovation未來光接入網(wǎng)需要的光器件未來光接入網(wǎng)，需要一系列創(chuàng)新的無源光互連是光纖通信的自然延伸上世紀(jì)后期進(jìn)入了信息時(shí)代，各種信息的流量特別是互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字信息激劇膨脹。信息運(yùn)行環(huán)節(jié)中首先出現(xiàn)瓶頸的是長(zhǎng)距離通信電纜限制了出現(xiàn)傳輸?shù)乃俾屎腿萘?。找到石英光纖傳輸光信號(hào)替代電纜傳送電信號(hào)，從而開創(chuàng)了光輝燦爛的光纖通信新時(shí)期，這是獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的華人科學(xué)家高錕的杰出貢獻(xiàn)。如今百公里以上的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中單根光纖的傳輸容量已經(jīng)超過100Tb/s，而且如此增長(zhǎng)的勢(shì)頭尚未減緩，成為光器件向更高性能發(fā)展的推動(dòng)力。與此同時(shí)，超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度（達(dá)10Pflop，即1016，或1千萬億或1京次浮點(diǎn)運(yùn)算）和巨型數(shù)據(jù)中心的存儲(chǔ)容量（達(dá)1EB，即1018，或100億億字節(jié)）都達(dá)到空前規(guī)模，以致其數(shù)據(jù)的傳輸遭遇新的瓶頸，其出路非光莫屬，因而數(shù)據(jù)中心和超級(jí)計(jì)算的光互連的研究和應(yīng)用已成為當(dāng)前又一熱點(diǎn)。不僅如此，一般電腦和高檔消費(fèi)電子產(chǎn)品如數(shù)字?jǐn)z象機(jī)等，其信號(hào)速率信號(hào)和容量也隨之不斷提高，用光互連代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電連接已提上日程。2012-5-10,Chen23PhotonicDeviceInnovation光互連是光纖通信的自然延伸上世紀(jì)后期進(jìn)入了信息時(shí)代，各種信息連接類型及光互連應(yīng)用機(jī)柜間機(jī)柜內(nèi)卡板間卡板內(nèi)模塊內(nèi)芯片內(nèi)通信網(wǎng)2012-5-10,Chen24PhotonicDeviceInnovation連接類型及光互連應(yīng)用機(jī)柜間機(jī)柜內(nèi)卡板間卡板內(nèi)模塊內(nèi)有源光纜機(jī)柜之間和機(jī)柜內(nèi)采用光纖連接實(shí)際上從上世紀(jì)末就已開始，稱為有源光纜的系列產(chǎn)品不斷開發(fā)和更新。這種距離層次上光纖互連應(yīng)用的光器件和模塊，基本上可以沿用光通信已有的成熟技術(shù)。單芯片收發(fā)器光纖到芯片的連接2012-5-10,Chen25PhotonicDeviceInnovation有源光纜機(jī)柜之間和機(jī)柜內(nèi)采用光纖連接實(shí)際上從上世紀(jì)末就已開硅光子器件實(shí)現(xiàn)芯片間和芯片內(nèi)的光互連回路，基于Si-CMOS半導(dǎo)體成熟工藝技術(shù)的硅光子器件是最有前途的候選者，它可能構(gòu)成大規(guī)模集成光路，最終將提供復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)芯片，性能可靠和低成本。經(jīng)過近十多年全球范圍的共同努力，高性能硅光電子器件的發(fā)展以及較高級(jí)別的系統(tǒng)中已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步。基于單片集成的硅調(diào)制器和鍺探測(cè)器的數(shù)據(jù)鏈路，每通道的工作速率可達(dá)10Gb/s和12.5Gb/s，25Gb/s的光鏈路產(chǎn)品也即將問世。（OM2E.6）提出硅光子平臺(tái)的構(gòu)建，可以制造低損耗光柵耦合器和波導(dǎo)，以及高帶寬的有源元件包括：20GHz的波導(dǎo)集成鍺pin探測(cè)器，19GHz硅環(huán)調(diào)制器和18GHz的馬赫-曾德爾行波調(diào)制器。器件的帶寬足以保證速率為25Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸。從八英寸晶圓上所有無源和有源元件的測(cè)量數(shù)據(jù)，顯示該器件性能具有高度均勻性。2012-5-10,Chen26PhotonicDeviceInnovation硅光子器件實(shí)現(xiàn)芯片間和芯片內(nèi)的光互連回路，基于Si-CM硅集成光路設(shè)計(jì)工藝測(cè)試平臺(tái)Schematiccross-section(nottoscale);(b)TypicalexperimentalsetupusingafiberarrayprobeandtwoRFprobes.Onlyasmallportionofthe8-inchwaferisshown.From:OFC2012,OM2E.62012-5-10,Chen27PhotonicDeviceInnovation硅集成光路設(shè)計(jì)工藝測(cè)試平臺(tái)Schematiccross-sSOI上Si-光波導(dǎo)的幾何尺寸From:OFC2012,OTh4D.12012-5-10,Chen28PhotonicDeviceInnovationSOI上Si-光波導(dǎo)的幾何尺寸From:OFC2012,高折射率比有利器件小型化From:OFC2012,OTh4D.12012-5-10,Chen29PhotonicDeviceInnovation高折射率比有利器件小型化From:OFC2012,OTFrom:OFC2012,OM2E.1硅光子器件的最新進(jìn)展2012-5-10,Chen30PhotonicDeviceInnovationFrom:OFC2012,OM2E.1硅光子器件的最新表面等離激元波SurfacePlasmonPolaritons（SPP）Waves電介質(zhì)金屬電子密度波沿金屬-電介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ氖疽鈭D。電荷密度振蕩和關(guān)聯(lián)的電磁場(chǎng)被稱為表面等離激元波。在右邊顯示電磁場(chǎng)強(qiáng)度與垂直界面的的距離呈指數(shù)?關(guān)系。這些波可以非常有效地受到可見光的激發(fā)。SPP波在電介質(zhì)中基本上是橫向的，而在金屬中則是縱向的。2012-5-10,Chen31PhotonicDeviceInnovation表面等離激元波SurfacePlasmonPolarit奇幻的Lycurgus杯在倫敦大英博物館展出萊克格斯（Lycurgus）杯。萊克格斯杯，從外部照射時(shí)，顯示為綠色。然而，當(dāng)從內(nèi)部照亮，則發(fā)紅光。這是由于玻璃含有黃金和白銀的金屬納米粒子，造成了這些不尋常的光學(xué)性質(zhì)。此物理現(xiàn)象的本源被稱為表面等離子激發(fā)。（圖片來源：大英博物館）2012-5-10,Chen32PhotonicDeviceInnovation奇幻的Lycurgus杯在倫敦大英博物館展出萊克格斯（為什么要Plasmonics？表面等離激元（SPP）是電子密度波，在精確的條件下，當(dāng)光線照射金屬表面時(shí)形成。這種電子密度波具有光的頻率，占有空間非常?。úㄩL(zhǎng)可在納米尺寸）和速度快。在理論上它們可以編碼大量的信息，大大超過電子傳統(tǒng)上所可能的。表面等離激元被認(rèn)為是體現(xiàn)了光學(xué)和電子數(shù)據(jù)傳輸兩者最強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，能在非常小的線上高速傳輸信息。光數(shù)據(jù)傳輸，如通過光纖，允許高帶寬，但需要體積大的“線”。電子數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ黝l率不如光纖，但只需要微小的“線”。表面等離子激元，有時(shí)也被稱為“線上的光”（lightonawire），將允許在一個(gè)微小的金屬絲表面上以光頻傳輸數(shù)據(jù)，盡管事實(shí)上該數(shù)據(jù)是以電子密度分布形式傳播，而不是光子。2012-5-10,Chen33PhotonicDeviceInnovation為什么要Plasmonics？表面等離激元（SPP）是電子密從理論研究到應(yīng)用研究表面等離激元正在成為一個(gè)有前途的技術(shù)平臺(tái)，向更小尺寸和更低能耗集成回路的目標(biāo)努力，對(duì)應(yīng)用于芯片規(guī)模和高集成度光互連有巨大潛力。這門新興學(xué)科，是建立在沿金屬介質(zhì)界面電磁波傳播的基礎(chǔ)上，以這種方式造成較強(qiáng)的模式限制因素，同時(shí)使光子器件和電子器件無縫交互。由于對(duì)它能為下一代光互連實(shí)現(xiàn)新的性能指標(biāo)，在過去幾年里已經(jīng)導(dǎo)致大量的研究，將表面等離激元學(xué)從原理上的證明上升為合格系統(tǒng)器件的開發(fā)理念。OFC/NFOEC2012首次加入此內(nèi)容，并安排了三場(chǎng)專題研討會(huì)，其目的是收集此領(lǐng)域在光互連應(yīng)用的最新成果，匯集所有相關(guān)的概念，制造技術(shù)，波導(dǎo)技術(shù)，元器件和系統(tǒng)，原則上都可以被利用到數(shù)據(jù)通信和計(jì)算通信等領(lǐng)域。2012-5-10,Chen34PhotonicDeviceInnovation從理論研究到應(yīng)用研究表面等離激元正在成為一個(gè)有前途的技術(shù)平臺(tái)等離激元波導(dǎo)Schematicof(a)long-range,(b)channeland(c)dielectric-loadedSPPwaveguideconfigurationsFrom:OFC2012,OW1E.12012-5-10,Chen35PhotonicDeviceInnovation等離激元波導(dǎo)Schematicof(a)long-raSPP波導(dǎo)研究論文發(fā)表年份From:OFC2012,OW1E.12012-5-10,Chen36PhotonicDeviceInnovationSPP波導(dǎo)研究論文發(fā)表年份From:OFC2012,O有源和無源等離激元器件From:OFC2012,OW3E.12012-5-10,Chen37PhotonicDeviceInnovation有源和無源等離激元器件From:OFC2012,OW3

非對(duì)稱Si-DLSPPMZI開關(guān)From:OFC2012,OW3E.32012-5-10,Chen38PhotonicDeviceInnovation非對(duì)稱Si-DLSPPMZI開關(guān)From:OFC2010Gb/s數(shù)據(jù)操作的實(shí)驗(yàn)裝置Itwasdemonstratedthefirstsystem-levelevaluationofanactiveplasmonicdevicein10Gb/sdatatrafficconditions.Thermo-opticON/OFFmodulationwith3sresponsetimeand10mWpowerconsumptionispresentedusinganasymmetricMZIsilicon-plasmonicgate.TheA-MZIcomprisedtwo90-m-longPMMA-loadedSPPwaveguidesof500x600nm2cross-sectionservingastheactiveMZIbranchesandheterointegratedonaSOIribwaveguideplatform.From:OFC2012,OW3E.32012-5-10,Chen39PhotonicDeviceInnovation10Gb/s數(shù)據(jù)操作的實(shí)驗(yàn)裝置Itwasdemonstr與CMOS兼容的DLSPPWFrom:OFC2012,OW3E.12012-5-10,Chen40PhotonicDeviceInnovation與CMOS兼容的DLSPPWFrom:OFC2012,3-D

等離激元-光-電集成回路From:OFC2012,OTu2D.12012-5-10,Chen41PhotonicDeviceInnovation3-D等離激元-光-電集成回路From:OFC2012From:OFC2012,OTu2D.1芯片上SPP波導(dǎo)的要求2012-5-10,Chen42PhotonicDeviceInnovationFrom:OFC2012,OTu2D.1芯片上SPP光互連用于消費(fèi)電子產(chǎn)品實(shí)例上圖是傳輸2.5Gbps的數(shù)字信號(hào)的表面等離激元（SPP）光互連模塊；

下圖是通過SPP光互連模塊將手機(jī)攝像單元與攝像機(jī)信號(hào)處理器連接。7cmlongrangeSPPwaveguide2012-5-10,Chen43PhotonicDeviceInnovation光互連用于消費(fèi)電子產(chǎn)品實(shí)例上圖是傳輸2.5Gbps的數(shù)字信號(hào)結(jié)束語在巨大市場(chǎng)潛力的鼓舞下，推動(dòng)高速率、大容量和適應(yīng)多種應(yīng)用的光網(wǎng)持續(xù)發(fā)展的新技術(shù)和新器件將會(huì)不斷涌現(xiàn)。“華為巨資收購集成光電公司CIP加大在英研發(fā)度”和“思科公司271億美元收購光纖技術(shù)公司Lightwire”兩條消息的啟迪：設(shè)備公司再現(xiàn)對(duì)器件的重視。技術(shù)創(chuàng)新永無止境，我們要抓住機(jī)遇，鼓足勇氣，迎頭趕上，在光器件創(chuàng)新上打一個(gè)翻身仗。光器件創(chuàng)新可選擇的途徑：國內(nèi)廠、學(xué)、研、政結(jié)合，自主開發(fā)，關(guān)鍵做到真正有機(jī)結(jié)合知識(shí)精英創(chuàng)業(yè)、民營企業(yè)投資，中國特色的智資結(jié)合道路走出國門，在國外創(chuàng)辦研發(fā)中心，有效及時(shí)吸收國際先進(jìn)科技重視借鑒韓國經(jīng)驗(yàn)2012-5-10,Chen44PhotonicDeviceInnovation結(jié)束語在巨大市場(chǎng)潛力的鼓舞下，推動(dòng)高速率、大容量和適應(yīng)多種應(yīng)演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！

帶寬、光網(wǎng)和光器件創(chuàng)新陳益新上海交通大學(xué)2012.5.10OFC/NFOEC2012一瞥2012-5-10,Chen46PhotonicDeviceInnovation

帶寬、光網(wǎng)和光器件創(chuàng)新陳益新OFC/NFOEC2內(nèi)容前言未來高速光網(wǎng)絡(luò)器件下一代光接入網(wǎng)器件光互連器件

結(jié)束語2012-5-10,Chen47PhotonicDeviceInnovation內(nèi)容前言2012-5-10,Chen2Photonic三個(gè)大會(huì)報(bào)告“帶寬，光學(xué)和豐富的年代”MiloMedinVicePresident,AccessServices,Google.

“如何設(shè)計(jì)和建造你自己的極大規(guī)模電腦”GregPapadopoulos,Ph.D.VenturePartner,NewEnterpriseAssociates.

“日本電信網(wǎng)絡(luò)的災(zāi)難恢復(fù)和研發(fā)政策”IsaoSuginoDirectoroftheResearchandDevelopmentOffice,TechnologyPolicyDivision,GlobalICTStrategyBureau,MinistryofInternalAffairsandCommunications,Japan.

2012-5-10,Chen48PhotonicDeviceInnovation三個(gè)大會(huì)報(bào)告“帶寬，光學(xué)和豐富的年代”“如何設(shè)計(jì)和建造你自己前言帶寬需求的爆炸，強(qiáng)烈推動(dòng)了向更高速率、更大容量和更大規(guī)模的光網(wǎng)演進(jìn)。先進(jìn)的光網(wǎng)建設(shè)，離不開器件提供保證。發(fā)展光網(wǎng)是器件持續(xù)創(chuàng)新的動(dòng)力，高性能的器件是光網(wǎng)得以不斷升級(jí)的基礎(chǔ)和先行。單纖速率100Gb/s技術(shù)和器件已基本具備，400Gb/s和1Tb/s正在開發(fā)和試驗(yàn)中。千兆位（

Gb/s）帶寬直通到家庭只是時(shí)間問題。10Gb/sG(E)-PON還不能這樣的帶寬要求，涌現(xiàn)出許多新方案。100米以下距離的光互連已顯示出強(qiáng)大生命力，正在向更短距離邁進(jìn)，應(yīng)用面不斷開拓。2012-5-10,Chen49PhotonicDeviceInnovation前言帶寬需求的爆炸，強(qiáng)烈推動(dòng)了向更高速率、更大容量和更大*每條光纖在過去的25年期間，系統(tǒng)容量增加了近5個(gè)數(shù)量級(jí)！光纖通信系統(tǒng)的容量*和網(wǎng)絡(luò)流量的進(jìn)展2012-5-10,Chen50PhotonicDeviceInnovation*每條光纖在過去的25年期間，系統(tǒng)容量增加了近5個(gè)數(shù)量級(jí)！光長(zhǎng)距離光網(wǎng)速率邁向400G和1T100Gb/s波分復(fù)用傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)和器件已趨成熟，其核心主要為偏振復(fù)用（PDM）、正交四相位調(diào)制（QPSK）、相干接收和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。在長(zhǎng)距離骨干光網(wǎng)方面，隨著40Gb/s和100Gb/s級(jí)光傳輸系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)迅速部署，研究人員已經(jīng)開始了對(duì)400Gb/s到1Tb/s的系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。邁向下一代的比特率，除偏振復(fù)用外，還需要加以更復(fù)雜的如正交振幅調(diào)制（QAM）和正交頻分復(fù)用（OFDM）等多種調(diào)制模式。目前，高比特率16-QAM、64-QAM以及甚至256-QAM的系統(tǒng)被認(rèn)為是一種很好的權(quán)衡，可以使長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)最大限度地提高頻譜效率（SE）。2012-5-10,Chen51PhotonicDeviceInnovation長(zhǎng)距離光網(wǎng)速率邁向400G和1T100Gb/s波分復(fù)用傳輸102.3-Tb/s的（224x548-Gb/s）C-和擴(kuò)展L波段的全拉曼放大傳輸240公里，使用數(shù)字導(dǎo)頻的PDM-64QAM單載波頻分復(fù)用（SC-FDM）Abstract:Wedemonstrate102.3Tb/stransmissionover3x80kmofPSCFbyemploying548-Gb/sPDM-64QAMsingle-carrierfrequency-division-multiplexing(SC-FDM)signalswithpilottoneand11.2-THzultra-widebandlow-noiseamplificationintheC-andextendedL-bands.摘要：我們驗(yàn)證了在3x80公里的純石英芯光纖（PSCF）上成功實(shí)現(xiàn)102.3Tb/s的傳輸，采用548Tb/sPDM-64QAM單載波頻分復(fù)用（SC-FDM）帶有數(shù)字導(dǎo)頻的信號(hào)，和在C波段和擴(kuò)展L波段應(yīng)用11.2-THz超寬帶低噪聲放大。From:OFC2012PDP5C.3（日本NTT等）2012-5-10,Chen52PhotonicDeviceInnovation102.3-Tb/s的（224x548-Gb/s）C-和22-DP-8QAM/QPSK光超通道，在1,503公里安裝的SSMF上實(shí)現(xiàn)21.7Tb/s的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)From:OFC2012PDP5D.6美國Verizon公司和NEC實(shí)驗(yàn)室等2012-5-10,Chen53PhotonicDeviceInnovation22-DP-8QAM/QPSK光超通道，在1,503公里安裝光纖傳輸容量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)1Tb/s以上傳輸容量的試驗(yàn)結(jié)果>（星號(hào)：本項(xiàng)工作；三角形：以前報(bào)道的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；虛線：容量距離乘積的等價(jià)曲線）From:OFC2012PDP5D.62012-5-10,Chen54PhotonicDeviceInnovation光纖傳輸容量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)1Tb/s以上傳輸容量的試驗(yàn)結(jié)果>（星空分復(fù)用：多芯光纖應(yīng)用空分復(fù)用（SMD）可以有效提高光纖傳輸容量，包括多芯光纖和少模光纖(模式復(fù)用)兩種方案。從日本最新報(bào)導(dǎo)，19-芯光纖采用100-WDMPDM-QPSK信號(hào)，其傳輸容量的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果達(dá)到305-Tb/s。19-芯光纖截面圖19光束（透鏡面）光學(xué)耦合示意圖，波長(zhǎng)1.55mFrom:OFC2012PDP5C.12012-5-10,Chen55PhotonicDeviceInnovation空分復(fù)用：多芯光纖應(yīng)用空分復(fù)用（SMD）可以有效提高光纖傳輸未來光接入網(wǎng)的要求運(yùn)營商對(duì)面向未來光接入網(wǎng)的基本要求主要包括：（一）同時(shí)支持傳統(tǒng)的、新興的和移動(dòng)通信回程服務(wù);（二）最大程度地利用現(xiàn)有ODN;（三）靈活的帶寬升級(jí)和管理;（四）能提供比現(xiàn)有的接入網(wǎng)絡(luò)更高的帶寬/容量和分流比;（五）在成本、性能和節(jié)約能源方面的優(yōu)化技術(shù)組合;（六）非侵入性的故障診斷與迅速恢復(fù)的服務(wù)。具體說，高于10Gb/s（或稱NG-PON2）的未來光接入網(wǎng)系統(tǒng)的性能，必須支持每用戶擁有1Gb/s的對(duì)稱平均速率，系統(tǒng)覆蓋60至100公里，用戶數(shù)達(dá)到1000以上，適應(yīng)多種服務(wù)融合，并能滿足接入市場(chǎng)的成本約束。

2012-5-10,Chen56PhotonicDeviceInnovation未來光接入網(wǎng)的要求運(yùn)營商對(duì)面向未來光接入網(wǎng)的基本要求主要包未來光接入網(wǎng)的解決方案高速（40Gb/s）TDM-PONWDM-PON波長(zhǎng)再利用（RSOA）WDM-PON，注入種子（injection-seeded）WDM-PON，自種子（self-seeding）WDM-PON可調(diào)諧（Tunable）WDM-PON超密集（UltraDense）WDM-PON

混合WDM-PON時(shí)分/波分混合（TWDM）TDM-WDM-PON長(zhǎng)距離（LR）PON正交頻分復(fù)用接入（OFDMA-PON）光碼分復(fù)用接入（OCDMA-PON）相干探測(cè)PON2012-5-10,Chen57PhotonicDeviceInnovation未來光接入網(wǎng)的解決方案高速（40Gb/s）TDM-PON2WDM-PON的系統(tǒng)基本架構(gòu)WDM-PON的系統(tǒng)架構(gòu)。插圖：上行和下行波長(zhǎng)通道分配，分開為兩個(gè)波段2012-5-10,Chen58PhotonicDeviceInnovationWDM-PON的系統(tǒng)基本架構(gòu)WDM-PON的系統(tǒng)架構(gòu)。插圖采用RSOA的ONU結(jié)構(gòu)采用反射半導(dǎo)體光放大器（RSOA）的用戶ONU結(jié)構(gòu)2012-5-10,Chen59PhotonicDeviceInnovation采用RSOA的ONU結(jié)構(gòu)采用反射半導(dǎo)體光放大器（RSOA）COAWG采用可調(diào)諧激光器的用戶ONU結(jié)構(gòu)采用可調(diào)諧激光器的ONU結(jié)構(gòu)2012-5-10,Chen60PhotonicDeviceInnovationCOAWG采用可調(diào)諧激光器的用戶ONU結(jié)構(gòu)采用可調(diào)諧激光長(zhǎng)距離PONs基本思想：通過延伸接入網(wǎng)與城域網(wǎng)相互融合，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋，從而減少設(shè)備接口和網(wǎng)絡(luò)單元、功耗、管理和運(yùn)營費(fèi)用等，以實(shí)現(xiàn)降低單位帶寬成本的最終目標(biāo)。http://cordis.europa.eu/infowin/acts/rus/trials/ac050.htm核心網(wǎng)城域網(wǎng)接入網(wǎng)2012-5-10,Chen61PhotonicDeviceInnovation長(zhǎng)距離PONs基本思想：通過延伸接入網(wǎng)與城域網(wǎng)相互融合，擴(kuò)FSAN提出的PON演進(jìn)路線FSAN提出的10Gb/s以上PON（NG-PON2）技術(shù)路線圖FSAN：“全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)”論壇2012-5-10,Chen62PhotonicDeviceInnovationFSAN提出的PON演進(jìn)路線FSAN提出的10Gb/s居民接入網(wǎng)的技術(shù)路線From：OFC2012Workshop，NTTHybridWDM/TDM-PONwithopticalamplifieristhebestcandidateforNG-PON2！2012-5-10,Chen63PhotonicDeviceInnovation居民接入網(wǎng)的技術(shù)路線From：OFC2012WorkshPON演進(jìn)的不同路線Eitherway,wewilleventuallyseecolorlessDWDM-PONinaccessnetwork.2012-5-10,Chen64PhotonicDeviceInnovationPON演進(jìn)的不同路線Eitherway,wewillWDM-PON實(shí)驗(yàn)研究報(bào)導(dǎo)2012-5-10,Chen65PhotonicDeviceInnovationWDM-PON實(shí)驗(yàn)研究報(bào)導(dǎo)2012-5-10,Chen20P商品化的WDM-PONFrom：Workshop2012，mel2012-5-10,Chen66PhotonicDeviceInnovation商品化的WDM-PONFrom：Workshop2012未來光接入網(wǎng)需要的光器件

未來光接入網(wǎng)，需要一系列創(chuàng)新的無源和有源光器件，特別是要求低成本和低能耗，不斷提高器件的集成化程度將是關(guān)鍵。以可調(diào)諧WDM-PON為例，在光線路終端（OLT）的發(fā)射器中需要集成的激光器陣列和濾波器（AWG），在一個(gè)芯片上有40通道和多通道激光驅(qū)動(dòng)器；在接收器中是集成的PD陣列和AWG。在遠(yuǎn)端（RN）需要無熱AWG，以及高分路比的PLC分路器。對(duì)于用戶端的光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU），要求低成本的可調(diào)諧激光器，（無熱電制冷器、無波長(zhǎng)鎖定、無校準(zhǔn)）；以及集成的L/C耦合器、可調(diào)諧激光器和光電二極管。對(duì)于LR-PON，需要低成本的光放大器。2012-5-10,Chen67PhotonicDeviceInnovation未來光接入網(wǎng)需要的光器件未來光接入網(wǎng)，需要一系列創(chuàng)新的無源光互連是光纖通信的自然延伸上世紀(jì)后期進(jìn)入了信息時(shí)代，各種信息的流量特別是互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字信息激劇膨脹。信息運(yùn)行環(huán)節(jié)中首先出現(xiàn)瓶頸的是長(zhǎng)距離通信電纜限制了出現(xiàn)傳輸?shù)乃俾屎腿萘俊Ｕ业绞⒐饫w傳輸光信號(hào)替代電纜傳送電信號(hào)，從而開創(chuàng)了光輝燦爛的光纖通信新時(shí)期，這是獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的華人科學(xué)家高錕的杰出貢獻(xiàn)。如今百公里以上的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中單根光纖的傳輸容量已經(jīng)超過100Tb/s，而且如此增長(zhǎng)的勢(shì)頭尚未減緩，成為光器件向更高性能發(fā)展的推動(dòng)力。與此同時(shí)，超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度（達(dá)10Pflop，即1016，或1千萬億或1京次浮點(diǎn)運(yùn)算）和巨型數(shù)據(jù)中心的存儲(chǔ)容量（達(dá)1EB，即1018，或100億億字節(jié)）都達(dá)到空前規(guī)模，以致其數(shù)據(jù)的傳輸遭遇新的瓶頸，其出路非光莫屬，因而數(shù)據(jù)中心和超級(jí)計(jì)算的光互連的研究和應(yīng)用已成為當(dāng)前又一熱點(diǎn)。不僅如此，一般電腦和高檔消費(fèi)電子產(chǎn)品如數(shù)字?jǐn)z象機(jī)等，其信號(hào)速率信號(hào)和容量也隨之不斷提高，用光互連代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電連接已提上日程。2012-5-10,Chen68PhotonicDeviceInnovation光互連是光纖通信的自然延伸上世紀(jì)后期進(jìn)入了信息時(shí)代，各種信息連接類型及光互連應(yīng)用機(jī)柜間機(jī)柜內(nèi)卡板間卡板內(nèi)模塊內(nèi)芯片內(nèi)通信網(wǎng)2012-5-10,Chen69PhotonicDeviceInnovation連接類型及光互連應(yīng)用機(jī)柜間機(jī)柜內(nèi)卡板間卡板內(nèi)模塊內(nèi)有源光纜機(jī)柜之間和機(jī)柜內(nèi)采用光纖連接實(shí)際上從上世紀(jì)末就已開始，稱為有源光纜的系列產(chǎn)品不斷開發(fā)和更新。這種距離層次上光纖互連應(yīng)用的光器件和模塊，基本上可以沿用光通信已有的成熟技術(shù)。單芯片收發(fā)器光纖到芯片的連接2012-5-10,Chen70PhotonicDeviceInnovation有源光纜機(jī)柜之間和機(jī)柜內(nèi)采用光纖連接實(shí)際上從上世紀(jì)末就已開硅光子器件實(shí)現(xiàn)芯片間和芯片內(nèi)的光互連回路，基于Si-CMOS半導(dǎo)體成熟工藝技術(shù)的硅光子器件是最有前途的候選者，它可能構(gòu)成大規(guī)模集成光路，最終將提供復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)芯片，性能可靠和低成本。經(jīng)過近十多年全球范圍的共同努力，高性能硅光電子器件的發(fā)展以及較高級(jí)別的系統(tǒng)中已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步?；趩纹傻墓枵{(diào)制器和鍺探測(cè)器的數(shù)據(jù)鏈路，每通道的工作速率可達(dá)10Gb/s和12.5Gb/s，25Gb/s的光鏈路產(chǎn)品也即將問世。（OM2E.6）提出硅光子平臺(tái)的構(gòu)建，可以制造低損耗光柵耦合器和波導(dǎo)，以及高帶寬的有源元件包括：20GHz的波導(dǎo)集成鍺pin探測(cè)器，19GHz硅環(huán)調(diào)制器和18GHz的馬赫-曾德爾行波調(diào)制器。器件的帶寬足以保證速率為25Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸。從八英寸晶圓上所有無源和有源元件的測(cè)量數(shù)據(jù)，顯示該器件性能具有高度均勻性。2012-5-10,Chen71PhotonicDeviceInnovation硅光子器件實(shí)現(xiàn)芯片間和芯片內(nèi)的光互連回路，基于Si-CM硅集成光路設(shè)計(jì)工藝測(cè)試平臺(tái)Schematiccross-section(nottoscale);(b)TypicalexperimentalsetupusingafiberarrayprobeandtwoRFprobes.Onlyasmallportionofthe8-inchwaferisshown.From:OFC2012,OM2E.62012-5-10,Chen72PhotonicDeviceInnovation硅集成光路設(shè)計(jì)工藝測(cè)試平臺(tái)Schematiccross-sSOI上Si-光波導(dǎo)的幾何尺寸From:OFC2012,OTh4D.12012-5-10,Chen73PhotonicDeviceInnovationSOI上Si-光波導(dǎo)的幾何尺寸From:OFC2012,高折射率比有利器件小型化From:OFC2012,OTh4D.12012-5-10,Chen74PhotonicDeviceInnovation高折射率比有利器件小型化From:OFC2012,OTFrom:OFC2012,OM2E.1硅光子器件的最新進(jìn)展2012-5-10,Chen75PhotonicDeviceInnovationFrom:OFC2012,OM2E.1硅光子器件的最新表面等離激元波SurfacePlasmonPolaritons（SPP）Waves電介質(zhì)金屬電子密度波沿金屬-電介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ氖疽鈭D。電荷密度振蕩和關(guān)聯(lián)的電磁場(chǎng)被稱為表面等離激元波。在右邊顯示電磁場(chǎng)強(qiáng)度與垂直界面的的距離呈指數(shù)?關(guān)系。這些波可以非常有效地受到可見光的激發(fā)。SPP波在電介質(zhì)中基本上是橫向的，而在金屬中則是縱向的。2012-5-10,Chen76PhotonicDeviceInnovation表面等離激元波SurfacePlasmonPolarit奇幻的Lycurgus杯在倫敦大英博物館展出萊克格斯（Lycurgus）杯。萊克格斯杯，從外部照射時(shí)，顯示為綠色。然而，當(dāng)從內(nèi)部照亮，則發(fā)紅光。這是由于玻璃含有黃金和白銀的金屬納米粒子，造成了這些不尋常的光學(xué)性質(zhì)。此物理現(xiàn)象的本源被稱為表面等離子激發(fā)。（圖片來源：大英博物館）2012-5-10,Chen77PhotonicDeviceInnovation奇幻的Lycurgus杯在倫敦大英博物館展出萊克格斯（為什么要Plasmonics？表面等離激元（SPP）是電子密度波，在精確的條件下，當(dāng)光線照射金屬表面時(shí)形成。這種電子密度波具有光的頻率，占有空間非常?。úㄩL(zhǎng)可在納米尺寸）和速度快。在理論上它們可以編碼大量的信息，大大超過電子傳統(tǒng)上所可能的。表面等離激元被認(rèn)為是體現(xiàn)了光學(xué)和電子數(shù)據(jù)傳輸兩者最強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，能在非常小的線上高速傳輸信息。光數(shù)據(jù)傳輸，如通過光纖，允許高帶寬，但需要體積大的“線”。電子數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ黝l率不如光纖，但只需要微小的“線”。表面等離子激元，有時(shí)也被稱為“線上的光”（lightonawire），將允許在一個(gè)微小的金屬絲表面上以光頻傳輸數(shù)據(jù)，盡管事實(shí)上該數(shù)據(jù)是以電子密度分布形式傳播，而不是光子。2012-5-10,Chen78PhotonicDeviceInnovation為什么要Plasmonics？表面等離激元（SPP）是電子密從理論研究到應(yīng)用研究表面等離激元正在成為一個(gè)有前途的技術(shù)平臺(tái)，向更小尺寸和更低能耗集成回路的目標(biāo)努力，對(duì)應(yīng)用于芯片規(guī)模和高集成度光互連有巨大潛力。這門新興學(xué)科，是建立在沿金屬介質(zhì)界面電磁波傳播的基礎(chǔ)上，以這種方式造成較強(qiáng)的模式限制因素，同時(shí)使光子器件和電子器件無縫交互。由于對(duì)它能為下一代光互連實(shí)現(xiàn)新的性能指標(biāo)，在過去幾年里已經(jīng)導(dǎo)致大量的研究，將表面等離激元學(xué)從原理上的證明上升為合格系統(tǒng)器件的開發(fā)理念。OFC/NFOEC2012首次加入此內(nèi)容，并安排了三場(chǎng)專題研討會(huì)，其目的是收集此領(lǐng)域在光互連應(yīng)用的最新成果，匯集所有相關(guān)的概念，制造技術(shù)，波導(dǎo)技術(shù)，元器件和系統(tǒng)，原則上都可以被利用到數(shù)據(jù)通信和計(jì)算通信等領(lǐng)域。2012-5-10,Chen79PhotonicDeviceInnovati