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5G承载光模块应用场景及发展现状

1、 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。

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。

2、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。

1 5G承载光模块应用场景及需求分析

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。

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。

图2  5G前传典型应用场景

3 、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。

表2  5G前传光模块技术现状

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。

表3  5G中回传光模块技术现状

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。本报告根据应用场景、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。