5G光模块技术及方案对比

  5G国家战略的实施，为国内5G通信市场带来了巨大的推动力，在交通、医疗等多个行业也形成了上百个5G创新应用场景，后续5G与各行各业之间的持续深度融合，将会催生出更多新需求，创建出新业态和新模式。

  光模块是5G网络中实现光电相互转换的基础单元，广泛应用于无线及传输设备，是5G建设的重要部分。5G建设的资金压力导致成本敏感，而光模块成本在5G前传部分设备中的占比高达50%以上。当前，业界纷纷开展5G光模块的低成本方案研究，5G光模块取得了长足进展，涌现出多种解决方案。

  5G光模块的技术和产业化进展

  随着5G技术的提出，国内外各个产业化平台纷纷开始进行5G光模块技术研究。2018年，新一代光传送网发展论坛(NGOF)开展了25 Gbit/s BIDI技术研究，该技术具有节省50%光纤资源、高精度时间同步等优势，契合5G业务需求，并可沿用10 Gbit/s时代业界广泛采用的1330 nm和1270 nm上下行波长组合方案，产业链成熟度高，方便产品的快速产业化。光模块上下游产业链共同推动，快速完成了25 Gbit/s BIDI光模块的标准化，推进指导了光模块厂家产业化进程。IMT-2020也同期开展了5G承载光模块研究工作，并根据5G发展进程，及时发布了《5G承载光模块白皮书》。现阶段，O-RAN联盟和IMT-2020也在积极推进MWDM和LWDM波分技术应用于5G前传的研究工作。

  据Lightcounting预测，5G前传光模块将在未来几年内处于高速增长阶段。根据《5G承载光模块白皮书》的分析，在5G建设初期，宜选用施工和维护管理比较简单的光纤直驱方案，采用25 Gbit/s双纤双向灰光模块和25 Gbit/s BIDI光模块。但是，随着5G的深入发展，光纤资源紧张的问题将逐步凸显。因此，业界正在研发各种WDM解决方案。这些方案，根据其中是否采用有源设备，还可被细分为无源型、有源型和半有源型3种。5G前传典型应用方案[1]如图1所示，其特点对比详情见表1。

图1 5G前传典型应用方案

表1 5G前传应用方案特点对比(对应1个基站)

  基于建设成本、功能实现等多方面的综合考虑，在实践中选择半有源型场景已经成为业内共识。而在这种场景中根据实现波长的不同，也存在4种方案。

  (1)DWDM：参考ITU-T G.698.4(原G.metro)，通道间隔为100GHz和50GHz，支持40/80个波长。

  (2)CWDM：参考ITU-T G.694.2，通道间隔为20 nm，支持18个波长。

  (3)LWDM：参考IEEE 802.3，通道间隔为800 GHz，扩展后支持12个波长。

  (4)MWDM：基于CWDM的波长进行左右偏移，采用非均匀的波长间隔，支持12个波长。

  在各方案研究中，为了便于运维管理，陆续开发、应用了一些新的技术。例如，为了实现前传网络的监控运维，业界正在光模块中开发基于调顶方式实现监控信息通道的功能，这样可以无需进行额外的前传来独立管理通道建设[2]。

  5G光模块的产业化进程重点依赖其中使用的核心光/电芯片，当前国内厂家在国家政策的扶植和各厂家的持续投入下，相关重要光电芯片的产品化程度虽然与国外有一定差距，但整体差距不大。国内外典型厂商光/电芯片产品化进程[1]见表2。

表2 核心光/电芯片产品化进程

  xWDM方案在5G前传中的对比分析

  由于高带宽应用场景的存在, 以及中国移动2.6 GHz频谱160 MHz带宽和中国联通、中国电信共建共享方案200 MHz频谱带宽的需求，在前传解决方案中单个基站需要12个波长。基于这些新的应用需求，对4种WDM技术方案进行分析。

  (1)25 Gbit/s DWDM方案包括两种不同的实现手段：一是采用波长可调谐光模块，该方案具有端口无关、波长自适应等优点，波长可调谐范围包括6波、12波、20波和40波等，可以一款光模块满足所有应用场景的需求，但可调谐光模块的高成本成为其推广、应用于5G前传中的瓶颈。业界现在也在积极开发低成本的窄带可调光模块，目前相关产品还处于验证阶段;二是采用固定波长光模块，该方案同样可以支持48波/96波，但整体运行维护更加复杂。从图2可以看出，DWDM波长处于色散代价[3]较高的区域，激光器仅能使用EML激光器方案，成本较高，其低成本的窄带可调方案仍处于验证阶段，无法在短时间内推向市场。

图2 波长色散代价

  (2)25 Gbit/s CWDM方案中的前6个波可采用无制冷DML激光器和PIN探测器的低成本配置，并且具有成熟的产业链支持，具有非常大的优势，可以很好地满足6波基站需求。但是，在面临12波应用需求时，CWDM方案的后6波也同样面临色散代价较大的问题，无法采用DML激光器，需要采用EML激光器或APD探测器来保证相同的链路功率预算;中间的6波由于早期光纤存在水峰效应，产业链供给相对空白。因此，在面临12波的应用需求时，该方案在成本控制上有较大难度，或者部分波长没有成熟的产业链支持。

  (3)25 Gbit/s MWDM方案在CWDM方案的前6波成熟产品的基础上，通过将这6波分别向左或右平移波长，从原有的6波扩展成12波，波长方案见表3。MWDM方案可以借鉴CWDM方案中DML激光器的成熟设计经验及工艺控制手段，激光器芯片的设计和制造难度不大，但是芯片重新设计的成本需要时间与规模化的应用来降低，器件设计也需要增加TEC温控来控制波长漂移，这是MWDM方案必须面对的问题。目前，中国移动正在组织产业链上下游进行MWDM技术方案及器件的研讨和开发。

表3 MWDM/LWDM中心波长

  (4)25 Gbit/s LWDM方案中的波长色散代价很小，采用PIN探测器接收就能很好地解决10 km甚至15 km的传输，但是目前LWDM方案仅有8个波长较为成熟。中国联通、中国电信共建共享5G基站，共站频谱带宽达到200 MHz，需要12波的解决方案，为此业内推出过多种方案，例如LWDM+CWDM混合、LWDM等距扩展配置等，最终选择按照800 GHz通道间隔上下扩展实现，具体的波长方案见表3。虽然在工温应用中，同样需要TEC控温来实现波长稳定，但此配置的8个波长激光器的产业链成熟。4个新扩展波长激光器，有一个借用25 Gbit/s CWDM 1291 nm，其余3个可在原有LWDM波长基础上扩展得到，因此在芯片技术方面不会有太多问题。但也需要产业链上游重新设计芯片，也存在规模化与成本之间的博弈。目前，中国电信正在组织产业链上下游进行LWDM的研讨和开发，初步预计将在2020年下半年完成在网的测试验证。

  不同的xWDM技术各有优缺点，当前主要的技术方向是6通道采用6波长CWDM配置;12通道采用12波长MWDM/LWDM配置;DWDM波长可调谐方案因为具有端口无关、波长自适应特性等其他方案无法取代的优点，所以后续如果低成本可调谐激光器技术成熟，DWDM方案也将是比较合适的选择。

  结束语

  5G网络建设的快速推进给光模块市场带来了巨大的发展机遇和活力。但是，多应用场景下不同技术解决方案的并存催生了多样化的光模块需求，在一定程度上导致了5G光模块市场的碎片化。5G光模块市场的良性发展，需要尽快实现5G光模块技术解决方案的聚焦，通过标准化实现规模化效应，降低光模块成本和产业链风险，推动5G光模块市场健康、有序地发展。

  参考文献

  [1] IMT2020. 5G承载光模块白皮书[R], 2019.

  [2] NGOF. 5G前传技术及应用白皮书[R], 2020.

  [3] ITU-T G.989.1.40-Gigabit-capable passive optical networks (NG-PON2): General requirements[S], 2013.

  文章作者

  宋梦洋 武汉光迅科技股份有限公司高级工程师，主要从事标准管理和光模块器件可靠性研究工作。

  李 岩 武汉光迅科技股份有限公司高级工程师，主要从事光传送网用光模块器件技术研究工作。

  蒋 波 武汉光迅科技股份有限公司高级工程师，主要从事光接入网用光模块器件技术研究工作。

  江 毅 武汉光迅科技股份有限公司高级工程师，主要从事技术战略规划、资本运作等工作。