2019年1月，IMT-2020(5G)推進組發(fā)布“5G承載光模塊白皮書(最終稿)”，白皮書基于5G承載網(wǎng)絡對光模塊的應用需求，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)界應進一步合力優(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”對前傳關(guān)鍵光模塊技術(shù)方案的分析。
前傳關(guān)鍵光模塊技術(shù)方案 — 關(guān)鍵詞：灰光、彩光、雙纖雙向、單纖雙向、25G、可調(diào)諧（Tunable）
25Gb/s雙纖雙向灰光模塊
25Gb/s雙纖雙向灰光模塊的典型傳輸距離包括300m和10km。300m光模塊通常用于基站的塔上塔下互連，10km光模塊主要用于傳輸距離更遠或鏈路損耗更大的AAU與接入機房(站點)之間的光纖直連場景。
25Gb/s雙纖雙向灰光模塊功能框圖及產(chǎn)品示例如圖3所示。IEEE 802.3cc已完成25GbE單模光纖接口規(guī)范，CCSA已啟動國內(nèi)行業(yè)標準化制定工作，預計2019年完成報批。
光模塊可采用25G和10G兩種波特率的激光器芯片來實現(xiàn)。25G波特率工業(yè)級激光器芯片可靠性要求與量產(chǎn)工藝要求較高，市場供應渠道有限。10G波特率工業(yè)級激光器芯片能充分利用成熟的供應鏈，可有效降低光模塊成本，目前業(yè)界主要有超頻、PAM4高階調(diào)制兩種實現(xiàn)方案，功能框圖分別如圖4和圖5所示。
超頻方案包含F(xiàn)P和DFB兩種實現(xiàn)方式。FP激光器方式中，影響傳輸距離的主要因素包括鏈路衰減損耗、碼間干擾(ISI)代價、模式分配噪聲(MPN)代價等，理論上可支持300m以上的傳輸距離。DFB激光器方式中，由于中心波長更靠近G.652光纖零色散點、光譜寬度更窄、以及可忽略模式分配噪聲等，理論上可支持10km以上的傳輸距離。目前基于FP激光器的25Gb/s雙纖雙向300m光模塊已經(jīng)成熟，基于DFB激光器的25Gb/s雙纖雙向10km光模塊還需進一步完善。PAM4方案采用10G波特率的工業(yè)級激光器與光探測器，但在配套IC方面需要更換為線性度更高的激光器驅(qū)動和TIA芯片，同時增加25Gb/s NRZ和25Gb/s PAM4相互轉(zhuǎn)換的DSP芯片。目前已實現(xiàn)10~15km演示試驗，配套芯片仍處于研發(fā)階段，綜合成本有待進一步評估。綜上分析，采用10G波特率工業(yè)級激光器芯片的25Gb/s光模塊，300m規(guī)格可優(yōu)先采用超頻方案，10km規(guī)格超頻方案存在一定技術(shù)挑戰(zhàn);PAM4方案在10km及更長傳輸距離的應用取決于配套芯片的規(guī)模效應。
25Gb/s單纖雙向灰光模塊
BiDi光模塊具有節(jié)省50%的光纖資源、上下行等距可有效保證高精度時間同步等優(yōu)勢，具體時延對稱性優(yōu)勢分析詳見本白皮書第四部分，典型傳輸距離10km、15km、20km。25G BiDi的技術(shù)方案主要有兩種，一是利用不同波長的波分復用(WDM)實現(xiàn)，二是利用相同(或不同)波長結(jié)合環(huán)形器的方式實現(xiàn)，如圖6所示。
環(huán)形器方案對公共端(圖6b中的兩端)反射串擾非常敏感，出纖需要采用具有高回損指標的光纖傾斜端面接口，并對實際工程使用提出了較高的防塵要求，25Gb/s BiDi光模塊建議優(yōu)先考慮WDM方案。在波長對選擇上業(yè)界主要有 1270nm/1310nm和1270nm/1330nm兩種方案，CCSA 25Gb/s BiDi光模塊標準征求意見稿已初步確定1270nm/1330nm波長方案，預計在2019年完成標準制定工作。
▌25Gb/s可調(diào)諧彩光模塊
在5G網(wǎng)絡建設初期，前傳將以光纖直驅(qū)方式為主，伴隨著高頻組網(wǎng)以及低頻增點等深度覆蓋，為充分利用已有光纖資源或解決光纖資源緊張問題，WDM方式會成為有益補充，其中波長可調(diào)諧(Tunable)光模塊是其核心單元。我國牽頭起草發(fā)布的ITU-T G.698.4標準(G.Metro)已定義10Gb/s接入型WDM組網(wǎng)和波長無關(guān)、無色化實現(xiàn)機制，目前業(yè)界正在探討25Gb/s速率的技術(shù)方案。25Gb/s波長可調(diào)諧光模塊功能框圖如圖7所示。
圖7 | 25Gb/s波長可調(diào)諧彩光模塊
根據(jù)光源類型及調(diào)諧方式的不同，波長可調(diào)諧激光器存在多種技術(shù)方案，五種最典型的方案對比如表4所示。基于取樣光柵分布布拉格反射器(SG-DBR)技術(shù)的激光器具有波長可調(diào)諧范圍寬、調(diào)諧速度快、調(diào)制速率高和成本相對較低等優(yōu)勢，是業(yè)界主流技術(shù)方案，受專利等限制，國內(nèi)量產(chǎn)能力有限。目前國內(nèi)基本具備DBR可調(diào)激光器的產(chǎn)業(yè)化能力，波長調(diào)諧范圍支持10nm量級，一般可滿足20通道@100GHz波長間隔的應用場景。另外，外腔激光器、微機電系統(tǒng)(MEMS) VCSEL、DFB陣列等方案因成本、穩(wěn)定性、工作帶寬和調(diào)諧時間等限制尚在進一步研究中，尚不具備規(guī)模產(chǎn)業(yè)化能力。
100/200Gb/s單纖雙向灰光模塊
100/200Gb/s BiDi 10km光模塊的技術(shù)方案正處于研究階段，典型實現(xiàn)方式包括環(huán)形器和WDM兩種，功能框圖如圖8所示。
圖8 | 100Gb/s BiDi灰光模塊功能框圖
100/200Gb/s BiDi光模塊的核心激光器芯片主要由國外廠商提供，目前可支持O波段CWDM(4波)或LWDM(4波)兩種，波長數(shù)量有限。現(xiàn)階段單纖雙向技術(shù)的實現(xiàn)方案建議優(yōu)先采用小型化環(huán)形器(圖8 a所示)。后續(xù)隨著PAM4技術(shù)進一步成熟，2×50Gb/s或1×100Gb/s或?qū)⒊蔀橄乱淮?00Gb/s光模塊的主流技術(shù)方案，采用WDM實現(xiàn)單纖雙向?qū)⑹歉?jīng)濟的方式(圖8 b所示)。
