5G承載光模塊白皮書之光模塊與光電芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析

  ICCSZ訊 2019年1月，IMT-2020(5G)推進(jìn)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(jìn)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承載光模塊的產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析。

  5G承載光模塊產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析 — 關(guān)鍵詞：光電芯片、產(chǎn)業(yè)化、低成本

  光模塊產(chǎn)業(yè)化水平

  國內(nèi)外光模塊廠商圍繞5G應(yīng)用積極開展5G承載光模塊研發(fā)，目前的產(chǎn)品化能力如表9所示。5G前傳25Gb/s光模塊方面，波長可調(diào)諧光模塊處于在研階段，BiDi光模塊處于樣品階段，其他類型的光模塊均已成熟。前傳100Gb/s BiDi光模塊的應(yīng)用規(guī)模較小，200Gb/s BiDi光模塊和100Gb/s 4WDM光模塊已經(jīng)成熟。5G中回傳50Gb/s PAM4 BiDi 40km光模塊、400Gb/s直調(diào)和相干光模塊均處于在研階段，其他類型光模塊已基本成熟。

  核心光電芯片產(chǎn)業(yè)化水平

  5G典型光模塊所使用的核心光芯片及電芯片產(chǎn)業(yè)化能力如表10所示，領(lǐng)先國家均已基本成熟，國內(nèi)在整體上尚處于研發(fā)階段。目前，商業(yè)級/工業(yè)級25G波特率的DFB、EML、50G波特率的EML激光器芯片、窄線寬波長可調(diào)激光器芯片、100Gb/s相干集成光收發(fā)芯片、25/50G波特率的激光器(調(diào)制器)驅(qū)動/TIA跨阻放大器、PAM4和相干 DSP等IC芯片主要由國外廠商提供，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化能力與國外差距較大。

  光模塊產(chǎn)業(yè)化能力測評

  為評估5G承載光模塊的發(fā)展水平和應(yīng)用能力，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)方的協(xié)同、合作與交流，5G承載工作組組織開展了首次基于多廠家多模塊類型的5G承載光模塊測評工作。光模塊商光迅、海信、新易盛、Finisar、Lumentum參加了測試，運營商中國移動、中國電信、中國聯(lián)通，系統(tǒng)設(shè)備商華為、中興，儀表商Keysight、VIAVI、VeEX對測試提供了大力支持。參測光模塊包括 25Gb/s Duplex 300m、25Gb/s Duplex 10km、25Gb/s BiDi 10km、25Gb/s BiDi 20km、25Gb/s CWDM 10km、50Gb/s PAM4 10km、50Gb/s PAM4 40km、100Gb/s 4WDM 10km 8種類型，如表11所示。

  本次測評項目包括光接口關(guān)鍵參數(shù)、電接口關(guān)鍵參數(shù)、儀表環(huán)境下的異廠家互通和傳輸性能、系統(tǒng)設(shè)備兼容性、系統(tǒng)設(shè)備環(huán)境下的多廠家互通和傳輸性能等。在發(fā)送光功率、光譜特性、光調(diào)制幅度(OMA)、消光比(ER)、眼圖、PAM4信號發(fā)送色散眼閉合度(TDECQ)、接收靈敏度、電差分眼圖幅度、上升/下降時間、共模噪聲、眼寬眼高、垂直眼圖閉合(VEC)等光電接口關(guān)鍵參數(shù)，以及直連和帶纖連接誤碼率方面，絕大部分參測光模塊樣品均滿足已發(fā)布或在研的IEEE802.3和CCSA行標(biāo)相關(guān)要求，個別樣品存在發(fā)送功率偏高、OMA值偏高和儀表兼容性等問題。

  25Gb/s BiDi 10km光模塊有1330nm/1270nm和1310nm/1270nm兩種波長方案，如圖9所示配置，在儀表開啟RS-FEC模式下，1330nm/1270nm相同波長方案的光模塊實現(xiàn)10km光纖+9~11dB衰減的異廠家光模塊互通傳輸;1330nm/1270nm和1310nm/1270nm不同波長方案的光模塊實現(xiàn)10km光纖+5.5~8.5dB衰減的異廠家光模塊互通傳輸。25Gb/s 300m光模塊為1310nm波段，在儀表關(guān)閉FEC模式下實現(xiàn)10km光纖+10~15dB衰減的異廠家光模塊互通傳輸。

  50Gb/s PAM4 10km光模塊在儀表開啟RS-FEC模式下，同廠家互通或自環(huán)可實現(xiàn)10km光纖+8dB衰減的傳輸。異廠家光模塊在10km光纖+2dB衰減互通測試中多次出現(xiàn)丟包和告警等問題。50Gb/s PAM4 40km光模塊在儀表開啟RS-FEC模式下實現(xiàn)40km光纖+5dB衰減自環(huán)44小時長期無丟包。參測光模塊可被PTN/SPN/OTN設(shè)備識別并支持激光器開啟和關(guān)閉等操作，但在管理信息上報、性能和穩(wěn)定性等方面有待進(jìn)一步驗證。

  如圖10所示配置，在設(shè)備環(huán)境關(guān)閉FEC模式下，25Gb/s BiDi 10km光模塊(1330nm/1270nm方案)實現(xiàn)10km光纖+3dB衰減多廠家互通傳輸;25Gb/s 300m光模塊實現(xiàn)300m光纖+3dB衰減多廠家互通傳輸;100Gb/s 4WDM 10km光模塊實現(xiàn)10km光纖+3dB衰減異廠家互通傳輸。

  綜上，參測的25/50/100Gb/s光模塊樣品絕大部分滿足已發(fā)布或在研的IEEE802.3和CCSA行標(biāo)相關(guān)要求，個別存在發(fā)送功率偏高、OMA值偏高、波長方案不統(tǒng)一和儀表不兼容等問題。后續(xù)在異廠家互通、與系統(tǒng)設(shè)備的兼容性方面需要進(jìn)一步測試驗證，以滿足5G承載規(guī)模部署應(yīng)用需求。

  低成本光模塊產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

  為滿足5G承載光模塊的低成本需求，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展，建議光模塊終端用戶、設(shè)備廠商、模塊廠商、研究機構(gòu)等業(yè)界各方力量在保證光模塊質(zhì)量的前提下，從指標(biāo)綜合優(yōu)化、規(guī)?；c資源重用、核心器件突破幾個方面著手改進(jìn)：

  (1)評估應(yīng)用場景與傳輸距離實際需求，綜合優(yōu)化光模塊指標(biāo)要求。一是優(yōu)化前傳光模塊的鏈路預(yù)算，適當(dāng)放寬指標(biāo)可以提升工業(yè)級激光器的篩選比例;二是一些應(yīng)用場景尤其是城域，可根據(jù)實際需求放寬系統(tǒng)對相干光模塊的OSNR指標(biāo)(如1~2dB)，可以支持更多商用DSP芯片，同時通過簡化相干DSP功能與算法，降低芯片研制成本;三是適當(dāng)放寬硅基方案的相干光模塊輸出功率要求，譬如如果輸出光功率放寬至-15dBm水平，則硅光芯片的良率會得到明顯改善。

  (2)模塊方案盡可能聚焦，并充分利用成熟技術(shù)方案與產(chǎn)業(yè)資源。一是前傳光模塊聚焦于25Gb/s Duplex 300m，25Gb/s BiDi 10/15km等;二是中回傳光模塊采用數(shù)據(jù)中心和傳送網(wǎng)已有光模塊;三是25Gb/s BiDi方案在初期采用10Gb/s BiDi成熟的單纖雙向光組件(BOSA)封裝工藝。

  (3)進(jìn)一步增強國內(nèi)對于核心芯片的自研與量產(chǎn)能力。一是工業(yè)級溫度范圍的激光器芯片替代商業(yè)級激光器芯片;二是硅光集成芯片、窄線寬可調(diào)激光器芯片的技術(shù)突破;三是DSP、激光器驅(qū)動IC的國產(chǎn)化等。

  總結(jié)與展望

  技術(shù)方面，5G前傳、中回傳對新型光模塊提出了差異化需求，目前每種應(yīng)用場景均存在多種光模塊技術(shù)方案與規(guī)格。過多的產(chǎn)品規(guī)格容易導(dǎo)致光模塊市場碎片化，造成上下游研發(fā)、制造與運維等諸多資源浪費。為培育良性發(fā)展模式，5G承載光模塊技術(shù)方案需進(jìn)一步求同存異、聚焦收斂，通過對重點技術(shù)方案的聚力投入和規(guī)模效應(yīng)來實現(xiàn)成本降低，并從規(guī)避產(chǎn)業(yè)鏈風(fēng)險考慮，加大扶持國內(nèi)廠商可以主導(dǎo)的光模塊技術(shù)產(chǎn)品方向。

  產(chǎn)業(yè)方面，國內(nèi)廠商在光模塊層面能夠提供大部分產(chǎn)品，研發(fā)水平緊跟國外領(lǐng)先企業(yè)，但25G波特率及以上的核心光電芯片尚處于在研、樣品或空白階段，亟待突破。光模塊及芯片的自主創(chuàng)新發(fā)展很難僅靠器件模塊商自身力量實現(xiàn)，一方面需要下游設(shè)備商的拉動牽引，通過充分合作實現(xiàn)新產(chǎn)品的迭代驗證，從而加速突破可靠性、量產(chǎn)等關(guān)鍵問題;同時產(chǎn)業(yè)生態(tài)需要進(jìn)一步改善，為避免4G時代光模塊無序競爭再現(xiàn)，5G時代可建立完善評價機制，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)良性競爭和健康發(fā)展。

  5G商用近在咫尺，5G承載在為光模塊革新發(fā)展提供契機的同時，留給新型光模塊技術(shù)成熟和規(guī)模應(yīng)用的時間窗口日益縮短。5G承載工作組將與業(yè)界加強合作、聚焦共識，協(xié)同推動5G承載光模塊關(guān)鍵技術(shù)研究及測試評估、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定等工作，共同促進(jìn)5G承載光模塊技術(shù)產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展，有力支撐即將到來的5G規(guī)?；渴稹?