5G承載光模塊白皮書(shū)之應用場(chǎng)景及發(fā)展現狀分析

  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(shū)(最終稿)”，白皮書(shū)基于5G承載網(wǎng)絡(luò )對光模塊的應用需求，結合光模塊技術(shù)發(fā)展現狀，聚焦研究不同應用場(chǎng)景下的關(guān)鍵5G承載光模塊技術(shù)方案，分析現有光模塊及核心光電子芯片產(chǎn)業(yè)化能力并開(kāi)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)界應進(jìn)一步合力優(yōu)化和收斂關(guān)鍵技術(shù)方案，加速推動(dòng)5G承載光模塊逐步成熟并規模應用，有力支撐5G商用部署與應用。本篇報道將介紹“5G承載光模塊白皮書(shū)”對5G承載光模塊應用場(chǎng)景及發(fā)展現狀的分析。

  5G承載光模塊應用場(chǎng)景及發(fā)展現狀

  光模塊功能及分類(lèi)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)、驅動(dòng)電路和光、電接口等組成，結構示意如圖1所示。光模塊用于實(shí)現電-光和光-電信號的轉換。在發(fā)送端，一定速率的電信號經(jīng)驅動(dòng)芯片處理后驅動(dòng)激光器(LD)發(fā)射出相應速率的調制光信號，通過(guò)光功率自動(dòng)控制電路，輸出功率穩定的光信號。在接收端，一定速率的光信號輸入模塊后由光探測器(PD)轉換為電信號，經(jīng)前置放大器后輸出相應速率的電信號。

圖1 | 光模塊結構示意圖(SFP+封裝)

  光模塊有多種分類(lèi)方式，典型如依據封裝方式、速率、傳輸距離、調制格式、是否支持波分復用(WDM)應用、光接口工作模式、工作溫度范圍等進(jìn)行分類(lèi)。按封裝方式分類(lèi)有SFP+、SFP28、QSFP28、CFP2、QSFP-DD、OSFP等；

  按速率分類(lèi)有10Gb/s、25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s、400Gb/s等;按傳輸距離分類(lèi)有100m、10km、20km、40km、80km及以上等;按調制格式分類(lèi)有NRZ、PAM4、DP-QPSK/n-QAM等;按是否支持波分復用(WDM)應用分類(lèi)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(lèi)有雙纖雙向(Duplex)、單纖雙向(BiDi)；按工作溫度范圍分類(lèi)有商業(yè)級(0~70℃)、工業(yè)級(-40~85℃)等。光模塊內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)、電吸收調制激光器(EML)等；光探測器可分為PIN結二極管(PIN)、雪崩光電二極管(APD)等。不同類(lèi)型的激光器和光探測器在性能和成本等方面存在差異，光模塊可根據具體規格要求選擇不同的芯片方案。

  5G承載光模塊應用場(chǎng)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/省內干線(xiàn)，實(shí)現5G業(yè)務(wù)的前傳和中回傳功能，其中各層設備之間主要依賴(lài)光模塊實(shí)現互連，其典型應用場(chǎng)景及需求分析如表1所示。

數據來(lái)源：《5G承載網(wǎng)絡(luò )架構和技術(shù)方案白皮書(shū)》2018.9

  5G前傳的典型應用場(chǎng)景如圖2所示，包括光纖直連、無(wú)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(chǎng)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(lèi)型，主要包括300m和10km兩種傳輸距離。無(wú)源WDM場(chǎng)景主要包括點(diǎn)到點(diǎn)無(wú)源WDM和WDM-PON等，采用一對或一根光纖實(shí)現多個(gè)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(chǎng)景，在A(yíng)AU/DU至WDM/OTN/SPN設備間一般需要10Gb/s或25Gb/s短距灰光模塊，在WDM/OTN/SPN設備間需要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前傳典型應用場(chǎng)景

  5G前傳應用場(chǎng)景對光模塊的典型要求如下：

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

  (2) 低成本：5G光模塊總需求量預計超過(guò)4G，尤其前傳光模塊可能存在數千萬(wàn)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，所需光模塊與現有傳送網(wǎng)及數據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)展現狀

  目前，國內外標準化組織國際電聯(lián)(ITU-T)、電氣和電子工程師協(xié)會(huì )(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(huì )(CCSA)等正在開(kāi)展5G承載相關(guān)的光模塊規范制定，涉及的模塊類(lèi)型和接口特性各不相同、種類(lèi)繁雜。前傳光模塊主要包括25Gb/s和100Gb/s兩大速率類(lèi)型，支持數百m到20km的典型傳輸距離，具體技術(shù)現狀如表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等調制格式，具體技術(shù)現狀如表3所示。

  隨著(zhù)光器件芯片技術(shù)、標準和應用需求的發(fā)展，未來(lái)光模塊類(lèi)型可能還會(huì )增加。過(guò)多的產(chǎn)品類(lèi)型和規格將導致光模塊整體產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)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)節資源浪費。本白皮書(shū)根據應用場(chǎng)景、技術(shù)成熟度、成本等因素，重點(diǎn)針對25Gb/s雙纖雙向、25Gb/s單纖雙向、25Gb/s波長(cháng)可調諧、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(jìn)行分析并開(kāi)展測試評估，協(xié)同業(yè)界聚焦和推動(dòng)5G承載光模塊產(chǎn)業(yè)良性健康發(fā)展。

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