5G承載光模塊白皮書之光模塊與光電芯片產業發展分析

  ICCSZ訊 2019年1月，IMT-2020(5G)推進組發布“5G承載光模塊白皮書(最終稿)”，白皮書基于5G承載網絡對光模塊的應用需求，結合光模塊技術發展現狀，聚焦研究不同應用場景下的關鍵5G承載光模塊技術方案，分析現有光模塊及核心光電子芯片產業化能力并開展測試評估，提出我國5G承載光模塊技術與產業發展建議。

  業界應進一步合力優化和收斂關鍵技術方案，加速推動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”對5G承載光模塊的產業發展分析。

  5G承載光模塊產業發展分析 — 關鍵詞：光電芯片、產業化、低成本

  光模塊產業化水平

  國內外光模塊廠商圍繞5G應用積極開展5G承載光模塊研發，目前的產品化能力如表9所示。5G前傳25Gb/s光模塊方面，波長可調諧光模塊處于在研階段，BiDi光模塊處于樣品階段，其他類型的光模塊均已成熟。前傳100Gb/s BiDi光模塊的應用規模較小，200Gb/s BiDi光模塊和100Gb/s 4WDM光模塊已經成熟。5G中回傳50Gb/s PAM4 BiDi 40km光模塊、400Gb/s直調和相干光模塊均處于在研階段，其他類型光模塊已基本成熟。

  核心光電芯片產業化水平

  5G典型光模塊所使用的核心光芯片及電芯片產業化能力如表10所示，領先國家均已基本成熟，國內在整體上尚處于研發階段。目前，商業級/工業級25G波特率的DFB、EML、50G波特率的EML激光器芯片、窄線寬波長可調激光器芯片、100Gb/s相干集成光收發芯片、25/50G波特率的激光器(調制器)驅動/TIA跨阻放大器、PAM4和相干 DSP等IC芯片主要由國外廠商提供，國內產業化能力與國外差距較大。

  光模塊產業化能力測評

  為評估5G承載光模塊的發展水平和應用能力，促進產業鏈相關方的協同、合作與交流，5G承載工作組組織開展了首次基于多廠家多模塊類型的5G承載光模塊測評工作。光模塊商光迅、海信、新易盛、Finisar、Lumentum參加了測試，運營商中國移動、中國電信、中國聯通，系統設備商華為、中興，儀表商Keysight、VIAVI、VeEX對測試提供了大力支持。參測光模塊包括 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種類型，如表11所示。

  本次測評項目包括光接口關鍵參數、電接口關鍵參數、儀表環境下的異廠家互通和傳輸性能、系統設備兼容性、系統設備環境下的多廠家互通和傳輸性能等。在發送光功率、光譜特性、光調制幅度(OMA)、消光比(ER)、眼圖、PAM4信號發送色散眼閉合度(TDECQ)、接收靈敏度、電差分眼圖幅度、上升/下降時間、共模噪聲、眼寬眼高、垂直眼圖閉合(VEC)等光電接口關鍵參數，以及直連和帶纖連接誤碼率方面，絕大部分參測光模塊樣品均滿足已發布或在研的IEEE802.3和CCSA行標相關要求，個別樣品存在發送功率偏高、OMA值偏高和儀表兼容性等問題。

  25Gb/s BiDi 10km光模塊有1330nm/1270nm和1310nm/1270nm兩種波長方案，如圖9所示配置，在儀表開啟RS-FEC模式下，1330nm/1270nm相同波長方案的光模塊實現10km光纖+9~11dB衰減的異廠家光模塊互通傳輸;1330nm/1270nm和1310nm/1270nm不同波長方案的光模塊實現10km光纖+5.5~8.5dB衰減的異廠家光模塊互通傳輸。25Gb/s 300m光模塊為1310nm波段，在儀表關閉FEC模式下實現10km光纖+10~15dB衰減的異廠家光模塊互通傳輸。

  50Gb/s PAM4 10km光模塊在儀表開啟RS-FEC模式下，同廠家互通或自環可實現10km光纖+8dB衰減的傳輸。異廠家光模塊在10km光纖+2dB衰減互通測試中多次出現丟包和告警等問題。50Gb/s PAM4 40km光模塊在儀表開啟RS-FEC模式下實現40km光纖+5dB衰減自環44小時長期無丟包。參測光模塊可被PTN/SPN/OTN設備識別并支持激光器開啟和關閉等操作，但在管理信息上報、性能和穩定性等方面有待進一步驗證。

  如圖10所示配置，在設備環境關閉FEC模式下，25Gb/s BiDi 10km光模塊(1330nm/1270nm方案)實現10km光纖+3dB衰減多廠家互通傳輸;25Gb/s 300m光模塊實現300m光纖+3dB衰減多廠家互通傳輸;100Gb/s 4WDM 10km光模塊實現10km光纖+3dB衰減異廠家互通傳輸。

  綜上，參測的25/50/100Gb/s光模塊樣品絕大部分滿足已發布或在研的IEEE802.3和CCSA行標相關要求，個別存在發送功率偏高、OMA值偏高、波長方案不統一和儀表不兼容等問題。后續在異廠家互通、與系統設備的兼容性方面需要進一步測試驗證，以滿足5G承載規模部署應用需求。

  低成本光模塊產業發展建議

  為滿足5G承載光模塊的低成本需求，推動相關產業健康有序發展，建議光模塊終端用戶、設備廠商、模塊廠商、研究機構等業界各方力量在保證光模塊質量的前提下，從指標綜合優化、規?；c資源重用、核心器件突破幾個方面著手改進：

  (1)評估應用場景與傳輸距離實際需求，綜合優化光模塊指標要求。一是優化前傳光模塊的鏈路預算，適當放寬指標可以提升工業級激光器的篩選比例;二是一些應用場景尤其是城域，可根據實際需求放寬系統對相干光模塊的OSNR指標(如1~2dB)，可以支持更多商用DSP芯片，同時通過簡化相干DSP功能與算法，降低芯片研制成本;三是適當放寬硅基方案的相干光模塊輸出功率要求，譬如如果輸出光功率放寬至-15dBm水平，則硅光芯片的良率會得到明顯改善。

  (2)模塊方案盡可能聚焦，并充分利用成熟技術方案與產業資源。一是前傳光模塊聚焦于25Gb/s Duplex 300m，25Gb/s BiDi 10/15km等;二是中回傳光模塊采用數據中心和傳送網已有光模塊;三是25Gb/s BiDi方案在初期采用10Gb/s BiDi成熟的單纖雙向光組件(BOSA)封裝工藝。

  (3)進一步增強國內對于核心芯片的自研與量產能力。一是工業級溫度范圍的激光器芯片替代商業級激光器芯片;二是硅光集成芯片、窄線寬可調激光器芯片的技術突破;三是DSP、激光器驅動IC的國產化等。

  總結與展望

  技術方面，5G前傳、中回傳對新型光模塊提出了差異化需求，目前每種應用場景均存在多種光模塊技術方案與規格。過多的產品規格容易導致光模塊市場碎片化，造成上下游研發、制造與運維等諸多資源浪費。為培育良性發展模式，5G承載光模塊技術方案需進一步求同存異、聚焦收斂，通過對重點技術方案的聚力投入和規模效應來實現成本降低，并從規避產業鏈風險考慮，加大扶持國內廠商可以主導的光模塊技術產品方向。

  產業方面，國內廠商在光模塊層面能夠提供大部分產品，研發水平緊跟國外領先企業，但25G波特率及以上的核心光電芯片尚處于在研、樣品或空白階段，亟待突破。光模塊及芯片的自主創新發展很難僅靠器件模塊商自身力量實現，一方面需要下游設備商的拉動牽引，通過充分合作實現新產品的迭代驗證，從而加速突破可靠性、量產等關鍵問題;同時產業生態需要進一步改善，為避免4G時代光模塊無序競爭再現，5G時代可建立完善評價機制，促進產業良性競爭和健康發展。

  5G商用近在咫尺，5G承載在為光模塊革新發展提供契機的同時，留給新型光模塊技術成熟和規模應用的時間窗口日益縮短。5G承載工作組將與業界加強合作、聚焦共識，協同推動5G承載光模塊關鍵技術研究及測試評估、標準規范制定等工作，共同促進5G承載光模塊技術產業健康有序發展，有力支撐即將到來的5G規?；渴?。