5G承载光模块白皮书之应用场景及发展现状分析

  ICCSZ讯 2019年1月，IMT-2020(5G)推进组发布“5G承载光模块白皮书(最终稿)”，白皮书基于5G承载网络对光模块的应用需求，结合光模块技术发展现状，聚焦研究不同应用场景下的关键5G承载光模块技术方案，分析现有光模块及核心光电子芯片产业化能力并开展测试评估，提出我国5G承载光模块技术与产业发展建议。

  业界应进一步合力优化和收敛关键技术方案，加速推动5G承载光模块逐步成熟并规模应用，有力支撑5G商用部署与应用。本篇报道将介绍“5G承载光模块白皮书”对5G承载光模块应用场景及发展现状的分析。

  5G承载光模块应用场景及发展现状

  光模块功能及分类概述

  光模块通常由光发射组件(含激光器)、光接收组件(含光探测器)、驱动电路和光、电接口等组成，结构示意如图1所示。光模块用于实现电-光和光-电信号的转换。在发送端，一定速率的电信号经驱动芯片处理后驱动激光器(LD)发射出相应速率的调制光信号，通过光功率自动控制电路，输出功率稳定的光信号。在接收端，一定速率的光信号输入模块后由光探测器(PD)转换为电信号，经前置放大器后输出相应速率的电信号。

图1 | 光模块结构示意图(SFP+封装)

  光模块有多种分类方式，典型如依据封装方式、速率、传输距离、调制格式、是否支持波分复用(WDM)应用、光接口工作模式、工作温度范围等进行分类。按封装方式分类有SFP+、SFP28、QSFP28、CFP2、QSFP-DD、OSFP等；

  按速率分类有10Gb/s、25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s、400Gb/s等;按传输距离分类有100m、10km、20km、40km、80km及以上等;按调制格式分类有NRZ、PAM4、DP-QPSK/n-QAM等;按是否支持波分复用(WDM)应用分类有灰光模块(不支持WDM)和彩光模块(支持WDM)；按光接口工作模式分类有双纤双向(Duplex)、单纤双向(BiDi)；按工作温度范围分类有商业级(0~70℃)、工业级(-40~85℃)等。光模块内部的激光器可分为垂直腔面发射激光器(VCSEL)、法布里-珀罗激光器(FP)、分布式反馈激光器(DFB)、电吸收调制激光器(EML)等；光探测器可分为PIN结二极管(PIN)、雪崩光电二极管(APD)等。不同类型的激光器和光探测器在性能和成本等方面存在差异，光模块可根据具体规格要求选择不同的芯片方案。

  5G承载光模块应用场景

  5G承载网络一般分为城域接入层、城域汇聚层、城域核心层/省内干线，实现5G业务的前传和中回传功能，其中各层设备之间主要依赖光模块实现互连，其典型应用场景及需求分析如表1所示。

数据来源：《5G承载网络架构和技术方案白皮书》2018.9

  5G前传的典型应用场景如图2所示，包括光纤直连、无源WDM和有源WDM/光传送网(OTN)/切片分组网(SPN)等。光纤直连场景一般采用25Gb/s灰光模块，支持双纤双向和单纤双向两种类型，主要包括300m和10km两种传输距离。无源WDM场景主要包括点到点无源WDM和WDM-PON等，采用一对或一根光纤实现多个AAU到DU间的连接，典型需要10Gb/s或25Gb/s彩光模块。有源WDM/OTN场景，在AAU/DU至WDM/OTN/SPN设备间一般需要10Gb/s或25Gb/s短距灰光模块，在WDM/OTN/SPN设备间需要N×10/25/50/100Gb/s等速率的双纤双向或单纤双向彩光模块。

图2 | 5G前传典型应用场景

  5G前传应用场景对光模块的典型要求如下：

  (1) 满足工业级温度范围，可靠性要求高：考虑AAU全室外应用环境，前传光模块需满足-40℃~+85℃的工业级温度范围，以及防尘等要求。

  (2) 低成本：5G光模块总需求量预计超过4G，尤其前传光模块可能存在数千万量级的需求，低成本是产业对光模块的主要诉求之一。5G中回传覆盖城域接入层、汇聚层与核心层，所需光模块与现有传送网及数据中心使用的光模块技术差异不大，接入层将主要采用25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s等速率的灰光或彩光模块，汇聚层及以上将较多采用100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s等速率的DWDM彩光模块。

  5G承载光模块发展现状

  目前，国内外标准化组织国际电联(ITU-T)、电气和电子工程师协会(IEEE)、光互联论坛(OIF)、4WDM等多源协议(MSA)、中国通信标准化协会(CCSA)等正在开展5G承载相关的光模块规范制定，涉及的模块类型和接口特性各不相同、种类繁杂。前传光模块主要包括25Gb/s和100Gb/s两大速率类型，支持数百m到20km的典型传输距离，具体技术现状如表2所示。

       5G中回传光模块主要包括25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s等多种速率，典型传输距离从几km到数百km，支持CPRI、eCPRI、以太网、OTN等多种接口协议，以及NRZ、PAM4、DMT等调制格式，具体技术现状如表3所示。

  随着光器件芯片技术、标准和应用需求的发展，未来光模块类型可能还会增加。过多的产品类型和规格将导致光模块整体产业市场碎片化，造成产业链上下游研发、制造与运维等诸多环节资源浪费。本白皮书根据应用场景、技术成熟度、成本等因素，重点针对25Gb/s双纤双向、25Gb/s单纤双向、25Gb/s波长可调谐、100/200Gb/s单纤双向等前传关键光模块，以及25Gb/s双纤双向、50Gb/s单纤双向/双纤双向、100/200/400Gb/s灰光、相干和非相干50/100Gb/s彩光等中回传关键光模块技术方案进行分析并开展测试评估，协同业界聚焦和推动5G承载光模块产业良性健康发展。

  下篇预告：5G承载光模块白皮书之前传关键光模块技术方案