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5G承载光模块产业发展分析

[来源:纤亿通]  [日期:2019-02-20]  [点击数:146] 
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50~70%,是5G低成本、广覆盖的关键要素。

一、 光模块产业化水平

国内外光模块厂商围绕5G应用积极开展5G承载光模块研发,目前的产品化能力如表1所示。5G前传25Gb/s光模块方面,波长可调谐光模块处于在研阶段,BiDi光模块处于样品阶段,其他类型的光模块均已成熟。前传100Gb/s BiDi光模块的应用规模较小,200Gb/s BiDi光模块和100Gb/s 4WDM光模块已经成熟。5G中回传50Gb/s PAM4 BiDi 40km光模块、400Gb/s直调和相干光模块均处于在研阶段,其他类型光模块已基本成熟。

1  5G承载典型光模块产品化能力


二、 核心光电芯片产业化水平

5G典型光模块所使用的核心光芯片及电芯片产业化能力如表2所示,领先国家均已基本成熟,国内在整体上尚处于研发阶段。目前,商业级/工业级25G波特率的DFB、EML、50G波特率的EML激光器芯片、窄线宽波长可调激光器芯片、100Gb/s相干集成光收发芯片、25/50G波特率的激光器(调制器)驱动/TIA跨阻放大器、 PAM4和相干 DSP等IC芯片主要由国外厂商提供,国内产业化能力与国外差距较大。

2 核心光芯片及电芯片


三、 光模块产业化能力测评

为评估5G承载光模块的发展水平和应用能力,促进产业链相关方的协同、合作与交流,5G承载工作组组织开展了首次基于多厂家多模块类型的5G承载光模块测评工作。光模块商光迅、海信、纤亿通、新易盛、Finisar、Lumentum参加了测试,运营商中国移动、中国电信、中国联通,系统设备商华为、中兴,纤亿通,仪表商Keysight、VIAVI、VeEX对测试提供了大力支持。参测光模块包括 25Gb/s Duplex 300m、25Gb/s Duplex 10km、25Gb/s BiDi 10km、25Gb/s BiDi 20km、25Gb/s CWDM 10km、50Gb/s PAM4 10km、50Gb/s PAM4 40km、100Gb/s 4WDM 10km 8种类型,如表3所示。

表3 参测光模块类型

本次测评项目包括光接口关键参数、电接口关键参数、仪表环境下的异厂家互通和传输性能、系统设备兼容性、系统设备环境下的多厂家互通和传输性能等。在发送光功率、光谱特性、光调制幅度(OMA)、消光比(ER)、眼图、 PAM4信号发送色散眼闭合度(TDECQ)、接收灵敏度、电差分眼图幅度、上升/下降时间、共模噪声、眼宽眼高、垂直眼图闭合(VEC)等光电接口关键参数,以及直连和带纤连接误码率方面,绝大部分参测光模块样品均满足已发布或在研的IEEE802.3和CCSA行标相关要求,个别样品存在发送功率偏高、OMA值偏高和仪表兼容性等问题。

25Gb/s BiDi 10km光模块有1330nm/1270nm和1310nm/1270nm两种波长方案,如图1所示配置,在仪表开启RS-FEC模式下,1330nm/1270nm相同波长方案的光模块实现10km光纤+9~11dB衰减的异厂家光模块互通传输;1330nm/1270nm和1310nm/1270nm不同波长方案的光模块实现10km光纤+5.5~8.5dB衰减的异厂家光模块互通传输。 25Gb/s 300m光模块为1310nm波段,在仪表关闭FEC模式下实现10km光纤+10~15dB衰减的异厂家光模块互通传输。

图1  仪表环境光模块互通测试

50Gb/s PAM4 10km光模块在仪表开启RS-FEC模式下,同厂家互通或自环可实现10km光纤+8dB衰减的传输。异厂家光模块在10km光纤+2dB衰减互通测试中多次出现丢包和告警等问题。50Gb/s PAM4 40km光模块在仪表开启RS-FEC模式下实现40km光纤+5dB衰减自环44小时长期无丢包。

参测光模块可被PTN/SPN/OTN设备识别并支持激光器开启和关闭等操作,但在管理信息上报、性能和稳定性等方面有待进一步验证。

如图2所示配置,在设备环境关闭FEC模式下, 25Gb/s BiDi 10km光模块(1330nm/1270nm方案)实现10km光纤+3dB衰减多厂家互通传输;25Gb/s 300m光模块实现300m光纤+3dB衰减多厂家互通传输;100Gb/s 4WDM 10km光模块实现10km光纤+3dB衰减异厂家互通传输。

图2  设备环境光模块互通测试

综上,参测的25/50/100Gb/s光模块样品绝大部分满足已发布或在研的IEEE802.3和CCSA行标相关要求,个别存在发送功率偏高、OMA值偏高、波长方案不统一和仪表不兼容等问题。后续在异厂家互通、与系统设备的兼容性方面需要进一步测试验证,以满足5G承载规模部署应用需求。

四、 低成本光模块产业发展建议

为满足5G承载光模块的低成本需求,推动相关产业健康有序发展,建议光模块终端用户、设备厂商、模块厂商、研究机构等业界各方力量在保证光模块质量的前提下,从指标综合优化、规模化与资源重用、核心器件突破几个方面着手改进:

1)                评估应用场景与传输距离实际需求,综合优化光模块指标要求。一是优化前传光模块的链路预算,适当放宽指标可以提升工业级激光器的筛选比例;二是一些应用场景尤其是城域,可根据实际需求放宽系统对相干光模块的OSNR指标(如1~2dB),可以支持更多商用DSP芯片,同时通过简化相干DSP功能与算法,降低芯片研制成本;三是适当放宽硅基方案的相干光模块输出功率要求,譬如如果输出光功率放宽至-15dBm水平,则硅光芯片的良率会得到明显改善。

2)                模块方案尽可能聚焦,并充分利用成熟技术方案与产业资源。一是前传光模块聚焦于25Gb/s Duplex 300m,25Gb/s BiDi 10/15km等;二是中回传光模块采用数据中心和传送网已有光模块;三是25Gb/s BiDi方案在初期采用10Gb/s BiDi成熟的单纤双向光组件(BOSA)封装工艺。

3)                进一步增强国内对于核心芯片的自研与量产能力。一是工业级温度范围的激光器芯片替代商业级激光器芯片;二是硅光集成芯片、窄线宽可调激光器芯片的技术突破;三是DSP、激光器驱动IC的国产化等。



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