5G承载光模块白皮书.pdf

目录IMT-2020(5G)推进组于2013年2月由中国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动成立，组织架构基于原IMT-Advanced推进组，成员包括中国主要的运营商、制造商、高校和研究机构。推进组是聚合中国产学研用力量、推动中国第五代移动通信技术研究和开展国际交流与合作的主要平台。IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块 白皮书引言5G承载光模块应用场景及发展现状前传关键光模块技术方案中回传关键光模块技术方案5G承载光模块产业发展分析总结与展望主要贡献单位P1P2P7P12P15P21P221IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块 白皮书引言第五代移动通信（ 5G）技术即将迈入商用化进程，其新型业务特性和更高指标要求对承载网络架构及各层技术方案均提出了新的挑战。光模块是 5G网络物理层的基础构成单元，广泛应用于无线及传输设备，其成本在系统设备中的占比不断增高，部分设备中甚至超过 5070%，是 5G低成本、广覆盖的关键要素。根据 IMT-2020（ 5G）推进组 5G承载工作组 2018年 9月发布的 5G承载网络架构和技术方案白皮书， 5G前传、中回传对光模块提出了差异化要求，更高速率、更长距离、更宽温度范围和更低成本的新型光模块需求迫切。业界针对适用于 5G承载不同应用场景的光模块技术方案已展开广泛研究，目前出现多种解决方案，种类纷繁复杂，需要业界推动进一步收敛聚焦。本白皮书基于 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。后续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。 2IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块 白皮书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。图1 光模块结构示意图（SFP+封装）3IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块 白皮书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（ 070）、工业级（ -4085）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。模块实现互连，其典型应用场景及需求分析如表1所示。表 1 5G承载光模块应用场景及需求分析数据来源：5G承载网络架构和技术方案白皮书2018.94IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块 白皮书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N10/25/50/100Gb/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。5IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块 白皮书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。 5G中回传光模块主要包表 2 5G前传光模块技术现状6IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块 白皮书括 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。 7IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块 白皮书前传关键光模块技术方案1 25Gb/s双纤双向灰光模块25Gb/s双纤双向灰光模块的典型传输距离包括 300m和 10km。 300m光模块通常用于基站的塔上塔下互连， 10km光模块主要用于传输距离更远或链路损耗更大的 AAU与接入机房（站点）之间的光纤直连场景。25Gb/s双纤双向灰光模块功能框图及产品示例如图 3所示。 IEEE 802.3cc已完成25GbE单模光纤接口规范， CCSA已启动国内行业标准化制定工作，预计 2019年完成报批。图 3 25Gb/s双纤双向灰光模块光模块可采用 25G和 10G两种波特率的激光器芯片来实现。 25G波特率工业级激光器芯片可靠性要求与量产工艺要求较高，市场供应渠道有限。 10G波特率工业级激光器芯片能充分利用成熟的供应链，可有效降低光模块成本，目前业界主要有超频、 PAM4高阶调制两种实现方案，功能框图分别如图 4和图5所示。图 4 超频方案功能框图 图 5 PAM4方案功能框图8IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块 白皮书超频方案包含 FP和 DFB两种实现方式。 FP激光器方式中，影响传输距离的主要因素包括链路衰减损耗、码间干扰（ ISI）代价、模式分配噪声（ MPN）代价等，理论上可支持 300m以上的传输距离。 DFB激光器方式中，由于中心波长更靠近 G.652光纤零色散点、光谱宽度更窄、以及可忽略模式分配噪声等，理论上可支持 10km以上的传输距离。目前基于 FP激光器的 25Gb/s双纤双向300m光模块已经成熟，基于 DFB激光器的 25Gb/s双纤双向 10km光模块还需进一步完善。PAM4方案采用 10G波特率的工业级激光器与光探测器，但在配套 IC方面需要更换为线性度更高的激光器驱动和 TIA芯片，同时增加 25Gb/s NRZ和 25Gb/s PAM4相互转换的 DSP芯片。目前已实现 1015km演示试验，配套芯片仍处于研发阶段，综合成本有待进一步评估。综上分析，采用 10G波特率工业级激光器芯片的 25Gb/s光模块， 300m规格可优先采用超频方案， 10km规格超频方案存在一定技术挑战；PAM4方案在 10km及更长传输距离的应用取决于配套芯片的规模效应。BiDi光模块具有节省 50%的光纤资源、上下行等距可有效保证高精度时间同步等优势，具体时延对称性优势分析详见本白皮书第四部分，典型传输距离 10km、 15km、 20km。 25G BiDi的技术方案主要有两种，一是利用不同波长的波分复用（ WDM）实现，二是利用相同（或不同）波长结合环形器的方式实现，如图 6所示。2 25Gb/s单纤双向灰光模块图 6 25Gb/s单纤双向灰光模块（ c）产品示例