5G承載光模塊白皮書之應(yīng)用場景及發(fā)展現(xiàn)狀分析

  ICCSZ訊 2019年1月，IMT-2020(5G)推進組發(fā)布“5G承載光模塊白皮書(最終稿)”，白皮書基于5G承載網(wǎng)絡(luò)對光模塊的應(yīng)用需求，結(jié)合光模塊技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，聚焦研究不同應(yīng)用場景下的關(guān)鍵5G承載光模塊技術(shù)方案，分析現(xiàn)有光模塊及核心光電子芯片產(chǎn)業(yè)化能力并開展測試評估，提出我國5G承載光模塊技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議。

  業(yè)界應(yīng)進一步合力優(yōu)化和收斂關(guān)鍵技術(shù)方案，加速推動5G承載光模塊逐步成熟并規(guī)模應(yīng)用，有力支撐5G商用部署與應(yīng)用。本篇報道將介紹“5G承載光模塊白皮書”對5G承載光模塊應(yīng)用場景及發(fā)展現(xiàn)狀的分析。

  5G承載光模塊應(yīng)用場景及發(fā)展現(xiàn)狀

  光模塊功能及分類概述

  光模塊通常由光發(fā)射組件(含激光器)、光接收組件(含光探測器)、驅(qū)動電路和光、電接口等組成，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。光模塊用于實現(xiàn)電-光和光-電信號的轉(zhuǎn)換。在發(fā)送端，一定速率的電信號經(jīng)驅(qū)動芯片處理后驅(qū)動激光器(LD)發(fā)射出相應(yīng)速率的調(diào)制光信號，通過光功率自動控制電路，輸出功率穩(wěn)定的光信號。在接收端，一定速率的光信號輸入模塊后由光探測器(PD)轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)前置放大器后輸出相應(yīng)速率的電信號。

圖1 | 光模塊結(jié)構(gòu)示意圖(SFP+封裝)

  光模塊有多種分類方式，典型如依據(jù)封裝方式、速率、傳輸距離、調(diào)制格式、是否支持波分復(fù)用(WDM)應(yīng)用、光接口工作模式、工作溫度范圍等進行分類。按封裝方式分類有SFP+、SFP28、QSFP28、CFP2、QSFP-DD、OSFP等；

  按速率分類有10Gb/s、25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s、400Gb/s等;按傳輸距離分類有100m、10km、20km、40km、80km及以上等;按調(diào)制格式分類有NRZ、PAM4、DP-QPSK/n-QAM等;按是否支持波分復(fù)用(WDM)應(yīng)用分類有灰光模塊(不支持WDM)和彩光模塊(支持WDM)；按光接口工作模式分類有雙纖雙向(Duplex)、單纖雙向(BiDi)；按工作溫度范圍分類有商業(yè)級(0~70℃)、工業(yè)級(-40~85℃)等。光模塊內(nèi)部的激光器可分為垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)、法布里-珀羅激光器(FP)、分布式反饋激光器(DFB)、電吸收調(diào)制激光器(EML)等；光探測器可分為PIN結(jié)二極管(PIN)、雪崩光電二極管(APD)等。不同類型的激光器和光探測器在性能和成本等方面存在差異，光模塊可根據(jù)具體規(guī)格要求選擇不同的芯片方案。

  5G承載光模塊應(yīng)用場景

  5G承載網(wǎng)絡(luò)一般分為城域接入層、城域匯聚層、城域核心層/省內(nèi)干線，實現(xiàn)5G業(yè)務(wù)的前傳和中回傳功能，其中各層設(shè)備之間主要依賴光模塊實現(xiàn)互連，其典型應(yīng)用場景及需求分析如表1所示。

數(shù)據(jù)來源：《5G承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)方案白皮書》2018.9

  5G前傳的典型應(yīng)用場景如圖2所示，包括光纖直連、無源WDM和有源WDM/光傳送網(wǎng)(OTN)/切片分組網(wǎng)(SPN)等。光纖直連場景一般采用25Gb/s灰光模塊，支持雙纖雙向和單纖雙向兩種類型，主要包括300m和10km兩種傳輸距離。無源WDM場景主要包括點到點無源WDM和WDM-PON等，采用一對或一根光纖實現(xiàn)多個AAU到DU間的連接，典型需要10Gb/s或25Gb/s彩光模塊。有源WDM/OTN場景，在AAU/DU至WDM/OTN/SPN設(shè)備間一般需要10Gb/s或25Gb/s短距灰光模塊，在WDM/OTN/SPN設(shè)備間需要N×10/25/50/100Gb/s等速率的雙纖雙向或單纖雙向彩光模塊。

圖2 | 5G前傳典型應(yīng)用場景

  5G前傳應(yīng)用場景對光模塊的典型要求如下：

  (1) 滿足工業(yè)級溫度范圍，可靠性要求高：考慮AAU全室外應(yīng)用環(huán)境，前傳光模塊需滿足-40℃~+85℃的工業(yè)級溫度范圍，以及防塵等要求。

  (2) 低成本：5G光模塊總需求量預(yù)計超過4G，尤其前傳光模塊可能存在數(shù)千萬量級的需求，低成本是產(chǎn)業(yè)對光模塊的主要訴求之一。5G中回傳覆蓋城域接入層、匯聚層與核心層，所需光模塊與現(xiàn)有傳送網(wǎng)及數(shù)據(jù)中心使用的光模塊技術(shù)差異不大，接入層將主要采用25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s等速率的灰光或彩光模塊，匯聚層及以上將較多采用100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s等速率的DWDM彩光模塊。

  5G承載光模塊發(fā)展現(xiàn)狀

  目前，國內(nèi)外標準化組織國際電聯(lián)(ITU-T)、電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)、光互聯(lián)論壇(OIF)、4WDM等多源協(xié)議(MSA)、中國通信標準化協(xié)會(CCSA)等正在開展5G承載相關(guān)的光模塊規(guī)范制定，涉及的模塊類型和接口特性各不相同、種類繁雜。前傳光模塊主要包括25Gb/s和100Gb/s兩大速率類型，支持數(shù)百m到20km的典型傳輸距離，具體技術(shù)現(xiàn)狀如表2所示。

       5G中回傳光模塊主要包括25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s等多種速率，典型傳輸距離從幾km到數(shù)百km，支持CPRI、eCPRI、以太網(wǎng)、OTN等多種接口協(xié)議，以及NRZ、PAM4、DMT等調(diào)制格式，具體技術(shù)現(xiàn)狀如表3所示。

  隨著光器件芯片技術(shù)、標準和應(yīng)用需求的發(fā)展，未來光模塊類型可能還會增加。過多的產(chǎn)品類型和規(guī)格將導(dǎo)致光模塊整體產(chǎn)業(yè)市場碎片化，造成產(chǎn)業(yè)鏈上下游研發(fā)、制造與運維等諸多環(huán)節(jié)資源浪費。本白皮書根據(jù)應(yīng)用場景、技術(shù)成熟度、成本等因素，重點針對25Gb/s雙纖雙向、25Gb/s單纖雙向、25Gb/s波長可調(diào)諧、100/200Gb/s單纖雙向等前傳關(guān)鍵光模塊，以及25Gb/s雙纖雙向、50Gb/s單纖雙向/雙纖雙向、100/200/400Gb/s灰光、相干和非相干50/100Gb/s彩光等中回傳關(guān)鍵光模塊技術(shù)方案進行分析并開展測試評估，協(xié)同業(yè)界聚焦和推動5G承載光模塊產(chǎn)業(yè)良性健康發(fā)展。

  下篇預(yù)告：5G承載光模塊白皮書之前傳關(guān)鍵光模塊技術(shù)方案