从OFC/NFOEC2012看世界光通信发展

一、OFC/NFOEC2012概况

和去年一样，今年的OFC/NFOEC举办地点仍然在美国加州洛杉矶会展中心。据统计，今年的参会人员总数有12,000多人，超过了去年，参展厂商有560家左右。值得注意的是：OFC/NFOEC的展会在悄然发生变化，之前的展会纯粹是器件商和测试设备厂商产品和技术展示的舞台。从2011年起，一些系统商开始加入进来，而今年有更多的系统商参加了此次展会，基本上世界上主流系统商悉数到场，这包括阿朗、Ciena、华为、爱立信、Cisco、富士通、诺西、GoogleFiber、Infinera、Juniper等，OFC/NFOEC已经开始成为各大系统商展示其高端技术方案和产品实力的舞台。本次会议上，系统商们重点展示了其100G系统以及下一代系统，如400Gbps/1Tbps，数据中心集成等。

本届会议的日程包括如下活动：专题讨论会（workshop and panel），全体会议(Plenary session)、特殊专题讨论会(syMPOsia)、技术论文报告会和短课程等。展会现场除了展览外，还安排了市场观察、业务提供商峰会和新产品发布等活动。全体会议有三个主题报告，题目分别为“Bandwidth, Optics and the age of Abundance”，“How to Design and Build Your Very Own Exascale Computer”和“Disaster Recovery and the R&D Policy in Japan's Telecommunication Network”，这三个报告基本上诠释了本届会议的主旨：光学技术推动了互联网的快速发展和通信带宽的快速增长，（纤维）光学技术将会在数据通信、云计算和数据中心网络应用中扮演更为重要的角色，以满足这些应用对带宽和功耗和成本的要求。

本届会议大概有800个技术报告，涉及光网络应用和服务，网络技术和应用，FTTX技术、发展和应用，光纤和光学传播效应，光纤和波导的器件：放大器、激光器、传感器、以及性能监视，用于交换，滤波和互连的光学器件，光电子器件，数字传输系统，传输子系统和网络元件，光学处理和模拟子系统，核心网，接入网，用于数据通信和计算机通信的光网络，技术和应用等内容。市场观察的主题包括：行业现状，PON的市场发展趋势，移动宽带的影响（主要是讲移动回程），集成光子以及步入100Gbps时代所面临的技术、应用市场和问题等。业务提供商峰会主题包括：云计算业务，1-2-3层融合发展，社交媒体时代的网络作用等。

由于有了系统商，运营商以及行业分析机构的参与，OFC/NFOEC已经成为展示和讨论整个行业生态系统发展的舞台，通过它，我们可以了解未来光通信的发展以及光网络的演化趋势。

二、技术和行业发展热点

高速、高谱效率和大容量传输系统研究

400Gbps/1Tbps关键技术

提高单波长传输速率始终是光传输的主题，当前通信速率已经迈入100Gbps时代，并正在向400Gbps/1Tbps发展。为了能够覆盖大部分陆地通信系统传输应用，100Gbps系统主流技术采用PM-QPSK调制，结合相干检测和数字信号处理技术来提高系统的灵敏度、均衡GVD色散和PMD等线性畸变，并引入高编码增益的软判决（SD-）FEC技术来提高系统的OSNR容限。由于通信速率提高，400Gbps/1Tbps首先面临的一个难题就是器件带宽瓶颈，如果400Gbps/1Tbps继续采用PM-QPSK调制，光信号的波特率将别达到112Gbaud和280Gaud，预期未来几年内，光电器件带宽难以满足如此高的速率要求。400Gbps/1Tbps需要多水平调制码型，以降低信号的波特率和带宽。但是更高水平的调制会引起较大的OSNR代价，造成信号传输能力降低，为了实现400Gbps/1Tbps长距传输，下列技术被认为是400Gbps/1Tbps核心技术之一：

多水平调制技术mQAM

多载波技术如光正交频分复用（OFDM）或Superchannels

分布式拉曼放大或相位敏感放大器（PSA）等低噪声放大技术

软判决FEC（SD-FEC）技术

新型低损耗，大有效面积光纤

表1总结了本次会议上报道的关于400Gbps/1Tbps高速传输实验内容，多数试验中采用了PM-16QAM以及Superchannel 或正交多载波技术，对于400G信号在SSMF链路上，采用传统的EDFA，其最远传输距离也就是几百公里，而采用拉曼放大和纯硅光纤（PSCF光纤），传输距离可以达到1000公里以上。而1T长距离传输则面临更大的困难。

值得注意的是在本次展会上，一些系统商，如阿朗、Ciena和华为等分别发布和展示了其400Gbps波分系统，这表明400Gbps已经不再停留在单纯的技术研究上，而正在向实用化发展。而400Gbps将会是继100Gbps之后下一个通信速率。

表1. OFC/NFOEC2012报道的400Gbps/1Tbps传输实验

高谱效率大容量传输技术-3M（多水平调制，多芯光纤，模分复用）技术

高谱效率和大容量传输成为本次会议的一个热点，随着通信速率达到100Gbps，传输系统的容量将达到10Tbps。通信速率和系统容量的增加是通信系统发展永久不变的主题，未来几年内通信速率很有可能发展到400Gbps/1Tbps的水平，届时传输系统的容量将需要达到50~100Tbps，才能跟的上网络带宽的增长速度。多水平调制和正交多载波技术可以允许高速信号，如400Gbps/1Tbps在光纤中以更高的谱效率传送，结合DWDM技术可以有效地提高光纤传输链路的容量。本次会议上，NTT的一篇迟到论文报道了102.3Tbps （224λ×584G PM-64QAM）SSMF传输实验，这是迄今为止报道的在SSMF上实现的最大传输容量，实验中224个波长覆盖整个C带和扩展L带频率范围，每个波长信号速率为584Gbps，采用多载波复用，结合64QAM多水平调制以及偏振复用实现，传输距离为240km。由于采用64QAM多水平调制，信号的传输能力劣化严重，传输距离很短，不符合长距传输需要。对于400Gbps/1Tbps长距传输，最佳系统容量也就是20-30Tbps左右，要进一步提高系统容量，只能以牺牲传输距离为代价。如何进一步提高光纤系统的传输容量，而又不牺牲传输能力，是摆在我们面前的一个课题。虽然DWDM和多水平调制技术可以有效地提高传输链路的容量，但是由于从放大、调制、FEC和更密集的载波间隔来进一步提高传输容量的空间非常有限，这些技术正在接近技术极限，需要探索新的解决方案。本次会议上，如何实现超100T光纤容量成为特殊专题讨论会的一个重要主题，为了满足未来5-10年内业务快速增长对传输容量增长的需求，需要探索新的传输和交换技术。最近，多芯光纤和基于MIMO的模分复用技术，作为提高系统容量的一种比较有前景的技术，吸引了众多研究者的兴趣，同时也成为本次会议的一个热点。本次会议上，相关方面的技术论文大概有50多篇，仅迟到的论文就有6篇。其中，模式复用方面相关的研究包括少模光纤(FMF)、模式复用/解复用器、多模放大器、模式转换和模式复用传输等。而多芯光纤研究涉及的主要内容包括：新型多芯光纤，多芯光纤放大，多芯光纤传输等。本次会议上，阿朗报道了5×112G PM-QPSK 在5模光纤中传输40km实验，阿朗另外一篇迟到的论文报道了6×20GBd PM-QPSK 在6模光纤中传输1200km实验。本次会议上报道的最大单纤传输容量为305Tbps，是由日本的NICT采用SDM-WDM-PDM-QPSK技术在19芯光纤上实现的，传输距离为10.1km，谱效率达到了30.5b/s/Hz。相比模式复用传输，多芯光纤传输更容易实现超大容量传输，但是多芯光纤传输需要解决不同纤芯之间的串扰以及最外层纤芯的过损耗问题。

光网络正在向智能，动态，灵活的光分组传送网发展

由固定波长栅格的网络向灵活波长栅格的弹性光网络发展

随着光通信速率向400Gbps/1Tbps发展，信号的带宽将超出现有波分复用系统波长间隔，只有对波分系统的频率间隔进行重新定义，才能够有效支持400Gbps/1Tbps信号。目前，光网络正在向动态的光网络发展，随着光网络结构和层次的日益扁平化，未来的光网络日益成为端到端的光传输网络，未来的光学平台上将需要支持具各种不同速率和类型的客户数据业务，现有固定的频率间隔不能有效地利用光纤的频谱资源，因而限制光纤传输容量有效的扩展。为了解决这个问题，2010年，业界提出了灵活波长栅格的概念，即波长间隔采用可变的波长栅格，波长栅格由一定频率范围的频率槽确定，波长栅格的中心频率定义为频率槽的中心，频率槽的宽度为某个标准频率槽粒度的整数倍，频率槽可以任意组合。2011年，ITU-T对G.694.1栅格标准进行了扩展，增加了对灵活波长栅格的支持。在修改的草案中，频率槽宽度的粒度定义为12.5GHz，频率槽宽度定义为12.5GHz的整数倍，频率槽的中心频率为193.1±n×0.00625 THz, n为整数。灵活波长栅格能够根据传输信号速率和调制码型的要求分配合适的频率槽宽度，以实现高谱效率、大容量的传输系统。灵活波长栅格要求收发模块、ROADM和控制平面技术的创新。收发模块需要能够根据传输距离和容量要求自适应的改变调制速率和调制码型，而ROADM系统则需要具有频率和带宽调节的功能。关于灵活波长栅格设备方面，目前已经有许多公司掌握了相关技术，在本次展会上，有更多的厂家展示了灵活波长栅格技术和产品，如Finisar, Nistica, CoAdna和JDSU等。

灵活波长栅格究竟能够带来哪些价值？今年的一个专题讨论会对此进行了专门的讨论，许多系统商和运营商都参与了讨论，包括阿朗、Ciena,、AT&T、Verizon、BT、Telfornica等，多数认为灵活栅格可以提高频谱利用效率和增加光纤系统容量，阿朗研究表明，与现有固定的波长间隔系统相比，灵活波长栅格系统的容量或总带宽利用效率可以提高20%~50%左右。美国业务运营商Verizon对灵活栅格持积极支持态度，也鼓励业界支持灵活栅格。但是一些大的运营商如AT&T和英国电信(BT)对灵活栅格持谨慎态度，AT&T认为灵活波长栅格会带来运营方面的问题，而BT则认为目前灵活的波长栅格技术还太超前，还需要等待其更为成熟才会考虑采用。灵活波长栅格不仅需要开发新的设备支持灵活波长栅格工作，还对传统路由和谱分配方法、保护和恢复方案、网络升级、网络规划、控制和管理等方面产生影响，还有待更深入和全面的研究。

光传输网正在由静态的光网络向动态的智能光网络发展

光网络正在由静态光网络向基于WDM的智能光网络-波长交换的光网络（WSON）发展，WSON为在WDM网络上应用GMPLS控制平面和PCE的自动可重构的传送网，目前正在由IETF标准化。WSON主要解决波分网络中光纤或波长的自动发现、波长路由计算和波长分配RWA、基于物理损伤的路由选择以及波长快速提供和恢复等问题。由于在光层上集成了控制平面，波长的路由的计算和波长分配可以通过控制平面自动完成，不需要通过管理平面人为干预。由于光层的路由涉及到许多物理因素的限制如，GVD色散、PMD、非线性和OSNR等，光层的路由计算和算法必须要考虑到这些因素，目前IETF正在对相关方面内容进行标准化。在本次会议上，WSON中路径计算方法和机制，波长路由和分配算法等成为研究的热点。WSON能够自动的实现波长路由和路径计算，创建端到端的业务，推动光传输网向动态的光网络发展。WSON提高了网络的灵活性，改善了网络的生存性和扩展性，提高了网络资源的利用率。基于GMPLS/ASON控制平面应用的WSON智能光网络是WDM发展的一个必然趋势。

在将来，业务分级和光层业务疏导技术的发展会推动动态路径工作的引入，这将需要完全灵活的ROADM/OXC功能，即无颜色（任意波长到任意端口）、无方向（任意波长到任意方向）、无阻塞的上/下路功能。WSON可以充分利用ROADM的可重构能力，实现对网络上下路的自动配置，充分体现ROADM的灵活性。但是当前基于WSS的ROADM具有有限的端口数目，要实现完全的波长交换，ROADM需要大端口数目的WSS以实现无阻塞的波长交换，这带动了ROADM向下一代无颜色、无方向、无阻塞、多自由度ROADM发展。

光网络向光分组传输网发展

在接入网、数据中心、云计算和移动回传等应用的驱动下，未来的光网络需要能够灵活的承载各种业务，为了能够有效地承载各种数据业务，如xPON、以太网、FC和IP等，光传输网正在向分组传输网(P-OTN)发展。P-OTN设备一方面集成MPLS-TP分组交换功能，可以有效支持IP数据传送，同时还引入了OTN交换，包括各层级ODUk交换以及扩展ODUflex交换，可以有效支持以太网、xPON、IP，FC以及其他任意速率的数据业务。OTN交换提供了对光信号以子波长水平进行疏导，可以有效支持不同带宽，不同速率信号混合传输的动态光网络，以有效地利用网络和波长资源。另外，P-OTN可以把大量的“过境”中转业务流量进行分流，来解决核心路由器的扩容压力、高成本等问题，特别是针对未来核心路由器之间100GE高速互联以提高OTN传送的带宽效率和可靠性，降低网络的综合成本。本次会议上，中国电信和Telfornica介绍了其采用分组传输网和引入OTN交换的策略。

100Gbps城域网传输引关注，直接检测获广泛支持

100Gbps仍然是本届会议的热点，从今年OFC/NFOEC来看，100Gbps产业链，包括器件（尤其是100Gbps商用DSP芯片在市场上可以获得）、测试设备、收发模块和系统设备逐渐成熟和完善，100Gbps已经从实验室、现场试验转向了商业部署。今年大家开始讨论用于城域、区域和长距骨干网的下一代100Gbps解决方案，讨论的更多是低成本，低功耗和小尺寸解决方案。

本次会议上，100Gbps城域网传输和直接检测方案引起了大家特别关注，有几家公司如ADVA、MultiPhy、Oclaro, Finisar分别展出了100Gbps城域传输解决方案。100Gbps城域传输的主要驱动力来源于数据中心互连对高速、大容量传输链路的需求，IEEE会议已经正式要求对100Gbps城域网40km距离传输方案提出建议，因此，100Gbps城域方案在本届展会上引起人们的重视，思科认为城域100Gbps将会在2013~2014左右部署。本次展会上，MultiPhy展示了用于100Gbps传输的DSP芯片，MultiPhy的DSP芯片允许采用10Gbps器件实现100Gbps的信号传输，支持NRZ OOK和ODB两种应用，最大可以支持80km传输，为高性能、低成本、低功耗100Gbps城域网传输解决方案。另外，MultiPhy和ECI还在本次会议上宣布他们已经在合作开发168pin MSA 5×7英寸100G bps直接探测收发模块。ADVA则在展台上展示了其4×28Gbps ODB 直接探测产品。而Finisar和Oclaro 则推出的是可插拔CFP光模块。表2为这几家公司的主要城域解决方案和产品，这些公司都采用了ODB直接探测方案，并且采用了4个波长来传送100Gbps信号。100Gbps直接检测方案适合应用于数据中心和企业网，这些网络为典型的点到点连接，或者是具有几个节点的环，把相邻4个波长绑在一起来创建100Gbps通道来连接路由器，对于这些网络非常具有吸引力。

表2. 100Gbps城域网传输解决方案

数据中心互连推动全光交换研究再度转热

全光交换最初在上世纪90年代提出，主要目的是为了降低OEO成本。由于100Gbps技术的成本较高，全光交换再度引起人们的兴趣，光交换能效高，成本效能好，这对于数据中心互连，具有非常大的吸引力。在数据中心和高性能计算中，上千簇服务器之间有大量的数据要传送，要求交换机能够连接大量的节点，以高速、低时延、低功耗的工作。当前多机架交换机和路由器主要是采用电的处理和交换，在采用电分组交换的数据中心网络，随着交换容量的增长，交换机的处理能力将会遇到瓶颈，功耗增加非常剧烈。本次会议上，NEC报道了用于数据中心光互连的光交换平台，该光交换平台采用WSS的光电路交换，主要目的是把大数据流从电分组交换机分流到光交换平台进行交换，由于光电路交换的速度较慢，频繁的配置光交换设备会引起巨大的开销，降低网络吞吐量，因此光分组交换引起了大家的兴趣。本次会议上，荷兰TUE报道了数据中心光分组交换模型和实验，采用64×64端口OPS结构。华为则报道了用于Petabit/s交换机和路由器的光突发交换（OBS）结构，该结构基于ns级快速可调激光器和循环的AWG技术，为80M*80M端口的交换阵列，可以提供80波长无阻塞交换。同时华为还在展会上展示了基于OBS城域光环网技术的PPXC（Petabit Packet Cross Connect）光交叉连接系统。华为利用这一技术构建了一个80×80的矩阵。PPXC系统将矩阵两边的电子交换机连接在一起，形成一个Clos矩阵（这是一个多级、非阻塞交换矩阵），PPXC不仅支持OBS，还可以支持所有的分组数据类型，主要是为了满足未来城域网和数据中心应用的需求，适合于用在数据中心中服务器之间数据交换以及连接大的汇聚路由器。虽然，光分组交换还有许多难点尚待解决，如光缓存，光逻辑，光信号处理等，在数据中心应用的驱动下，随着光电器件成熟和光子集成的发展，光分组交换、光突发交换必将在数据中心中扮演重要角色。

硅光子器件和光子集成

近年来硅光子学研究和硅光子器件取得了很大的进展，硅光子器件已经开始在工业上获得应用。本次会议上，许多企业和研究机构报道并展示了基于硅光子技术的各种光学器件和应用，硅光子器件，尤其是有源器件，如激光器、调制器、探测器、ns光开关等取得了较大的进展，硅调制器和探测带宽都已经达到了40GHz的水平。为了降低成本和功耗，当前数据中心对光子集成的需求更为迫切，数据互连是当前数据中心的主要瓶颈，由于距离和带宽的限制，光子技术具有功耗低，高带宽等优点，业界正在寻求低成本的光学互连来取代铜线，基于硅光子技术的光学互连，可以极大地降低芯片的尺寸和功耗，硅光子器件可能会成为计算和网络产品的基本构件。本届会议上有许多报告都报道了这方面的进展，Luxtera公司报道了其用于光互连的4×14Gbps硅光子收发芯片及其CMOS光子生产流程。思科最近收购了硅光子技术公司Lightwire，也主要是其看好了硅光子技术在高速网络应用的前景，期望通过光子集成技术实现低成本的光子互连。随着功耗重要性越来越高，采用硅光子的门槛正在降低。

当前光子集成的主要驱动力主要来源于如下两个方面：一是核心网复杂调制码型和100Gbps以及400Gbps/1Tbps高速、大容量系统的发展对小尺寸的要求；另外一个方面是短距应用，主要是数据中心互连应用对低成本、低功耗的要求。从光子器件集成的发展角度来看，目前在光通信系统中混合集成、单片集成和硅光子器件都在使用，但是目前混合集成使用的最多，而单片集成也已经进入量产，主要公司如Infinera，主要是基于InP材料。随着硅光子技术的成熟，硅光子技术将会在光子集成中扮演重要角色，由于硅光子生产工艺和CMOS生产工艺兼容，有利于硅光子器件的批量生产和成本降低，以及未来实现电光的集成(EPIC)。硅光子面临的挑战包括器件性能和集成，硅器件成本和功耗还需要进一步降低。