5G無線光模塊的需求分析和關(guān)鍵技術(shù)

張華 黃衛(wèi)平

摘要：

25 G BiDi光模塊、50 G的4級(jí)脈幅調(diào)制（PAM4）光模塊、低成本相干100 G光模塊是5G前傳、中傳、回傳網(wǎng)絡(luò)對(duì)光模塊需求的幾個(gè)典型代表。低成本是產(chǎn)業(yè)鏈對(duì)5G無線光模塊的主要訴求點(diǎn)，規(guī)格分級(jí)、產(chǎn)業(yè)鏈共享、技術(shù)創(chuàng)新、國產(chǎn)化替代是實(shí)現(xiàn)低成本的幾個(gè)主要手段。5G無線光模塊的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在光電子芯片層面，功能的擴(kuò)展、速率的提升、成本的下降是光電子芯片技術(shù)創(chuàng)新的主要抓手。

5G無線光模塊；光電子芯片；低成本

25 G BiDi， 50G 4-level pulse amplitude modulation （PAM4）， and low-cost coherent 100 G are the typical examples of the transceivers demanded by the 5G wireless front-haul， middle-haul， back-haul networks. Low cost is the primary requirement for the 5G wireless transceiver. Specification classification， utilization of the off-the-shelf components， technology innovations， and made-in-China components are the main means to achieve low cost. The key technologies of the 5G wireless transceiver are all about the optoelectronic chips， and the innovation in optoelectronic chips can be carried by the extension of the functionality， the upgrade of the bandwidth， and the low-cost approach.

5G wireless transceiver； optoelectronic chip； low cost

1 5G對(duì)光模塊的需求

隨著對(duì)下載速率要求的逐漸提高，無線通信愈加依賴于光纖通信。當(dāng)前的無線通信網(wǎng)絡(luò)，除了“最后一公里”是“無線”形態(tài)，天線之后的通信鏈路全部是光纖網(wǎng)絡(luò)。到了5G時(shí)代，代際升級(jí)所帶來的絕不僅僅是下載速率的大幅提升，在4G時(shí)代所不具備的低時(shí)延、大規(guī)模機(jī)器通信的特點(diǎn)將催生諸如無人駕駛、萬物互連等全新的應(yīng)用。因此，5G無線通信對(duì)生活的改變將遠(yuǎn)超過3G和4G。光纖通信所具備的大容量、長距離的天生優(yōu)勢(shì)極好地滿足了5G對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)的要求。在前5G時(shí)代，光纖通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)得以快速發(fā)展的終端驅(qū)動(dòng)力是以有線形式接入的家庭和企業(yè)，“光纖到家”和“光纖到樓”的普及和后續(xù)升級(jí)帶動(dòng)了接入網(wǎng)、城域網(wǎng)、骨干網(wǎng)的全面覆蓋和性能升級(jí)。在5G時(shí)代，以無線形式接入的手機(jī)、汽車、家電、工業(yè)設(shè)備等作為新的終端，將跟固網(wǎng)接入的終端共同推動(dòng)光纖通信的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

4G的部署為光模塊行業(yè)帶來了一個(gè)新的細(xì)分市場(chǎng)，5G的需求將為無線光模塊市場(chǎng)注入新的動(dòng)力并進(jìn)一步增大該細(xì)分市場(chǎng)的空間。5G網(wǎng)絡(luò)所具備的站點(diǎn)密度增大、時(shí)間同步精度提高等特點(diǎn)對(duì)光模塊的功能和性能提出了新的要求。接下來，將以幾個(gè)有代表性的例子說明5G對(duì)光模塊的需求。

（1）5G前傳對(duì)25 G BiDi光模塊的需求

在4G時(shí)代，前傳網(wǎng)絡(luò)對(duì)光模塊的需求以單模10 G Duplex為主。到了5G時(shí)代，前傳網(wǎng)絡(luò)仍將以光纖直驅(qū)為主，但對(duì)光模塊的速率和光口提出了新的要求。考慮到節(jié)省光纖資源、上下行等距能保證高精度時(shí)間同步，BiDi的產(chǎn)品形態(tài)比Duplex更具優(yōu)勢(shì)。另一方面，5G相比于4G在下載速率上至少有10倍的提升，在以太網(wǎng)通用公共無線電接口（eCPRI）協(xié)議下[1]，25 Gbit/s的速率也成為必須。基于上述2方面的考慮，25 G BiDi光模塊能更好地滿足5G前傳的需求。10 km的傳輸距離能覆蓋大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景。在波長選擇上，1 270/1 330 nm方案將有利于實(shí)現(xiàn)低成本光模塊。

（2）5G回傳對(duì)50 G PAM4光模塊的需求

5G的中傳網(wǎng)絡(luò)或回傳接入層將對(duì)50 Gbit/s速率的光模塊有需求。考慮到低成本實(shí)現(xiàn)方式，基于25 G光器件、輔以脈幅調(diào)制（PAM4）調(diào)制格式將成為更具吸引力的一個(gè)方案。50 G PAM4光模塊有10 km以及40 km 2種主要規(guī)格。10 km規(guī)格能以25 G波特率直接調(diào)制激光器實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也保證了低成本。40 km規(guī)格則需要使用25 G波特率電吸收調(diào)制激光器和雪崩光電探測(cè)器。另一方面，10 km和40 km的規(guī)格均對(duì)高線性度的激光器驅(qū)動(dòng)器和跨阻放大器有需求。

（3）5G回傳對(duì)低成本相干100 G光模塊的需求

5G回傳網(wǎng)絡(luò)的匯聚層和核心層，對(duì)相干100 G、200 G、400 G光模塊有需求，波長在C波段，傳輸距離一般在200 km以內(nèi)。低成本的相干100 G光模塊被視為單元技術(shù)，基于此單元技術(shù)，依靠波分復(fù)用技術(shù)可實(shí)現(xiàn)更高的傳輸帶寬。

2 低成本是5G無線光模塊

的關(guān)鍵

在過去幾年里，4G無線光模塊的市場(chǎng)售價(jià)幾乎是每2年下降40%，有利地促進(jìn)了4G的大規(guī)模部署。可以說，4G無線光模塊較好地滿足了下游客戶對(duì)其低成本的要求。究其原因，其中之一是產(chǎn)業(yè)鏈恰到好處地定義了不同種類的光模塊規(guī)格，在滿足性能指標(biāo)要求的前提下，以低成本的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)所需要的功能，例如：將10 G垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）技術(shù)用于150 m以內(nèi)傳輸距離的光模塊，將10 G法布里-珀羅（FP）激光器技術(shù)用于1.4 km以內(nèi)傳輸距離的光模塊；而對(duì)于10 km傳輸距離的需求，則使用10 G 分布式反饋激光器（DFB）技術(shù)。簡(jiǎn)而言之：性能要求高的場(chǎng)景，選擇較貴的技術(shù)；而性能要求低的場(chǎng)景，選擇較便宜的技術(shù)。

到了5G時(shí)代，光模塊的需求量將超過4G時(shí)代，低成本將依然成為產(chǎn)業(yè)鏈對(duì)光模塊的主要訴求。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，針對(duì)不同的傳輸距離定義出幾種不同規(guī)格的光模塊，并根據(jù)規(guī)格選擇相應(yīng)的技術(shù)手段，這也許將繼續(xù)成為5G無線光模塊實(shí)現(xiàn)低成本的有效策略。

共享產(chǎn)業(yè)鏈也將有利于達(dá)成低成本目標(biāo)。數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)對(duì)高帶寬的需求是領(lǐng)先于固網(wǎng)接入和無線接入的。因此，25 Gbit/s速率的光器件早已被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信光模塊。基于數(shù)據(jù)通信光模塊已經(jīng)大量使用的光器件及其相關(guān)技術(shù)來開發(fā)5G無線光模塊，也是實(shí)現(xiàn)低成本的策略之一。例如：25 G BiDi光模塊所使用的25 Gbit/s 1 270/1 330 nm的激光器，和用于數(shù)據(jù)中心100 G粗波分復(fù)用器（CWDM4）光模塊[2]所使用的激光器類似，區(qū)別在于其不同的溫度范圍。

實(shí)現(xiàn)低成本最根本的手段是技術(shù)創(chuàng)新，包括網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、物理層光器件、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等各個(gè)方面的創(chuàng)新。例如：4G時(shí)代遠(yuǎn)端射頻模塊（RRU）和基帶處理單元（BBU）之間的信號(hào)傳輸使用CPRI協(xié)議，為應(yīng)對(duì)5G對(duì)帶寬更高的需求，第3代合作伙伴項(xiàng)目（3GPP）提出了新的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)eCPRI，前傳接口帶寬得以被壓縮至25 G，從而降低了光模塊的成本，這是在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層面的創(chuàng)新。再例如：考慮到無線應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)工業(yè)級(jí)溫度的剛需，以工業(yè)級(jí)溫度范圍的激光器替代商業(yè)級(jí)溫度范圍的激光器，將降低光模塊的封裝成本，這屬于光器件物理層的創(chuàng)新。

國產(chǎn)化替代也是實(shí)現(xiàn)低成本的手段之一。國際上領(lǐng)先企業(yè)得益于其長時(shí)間的技術(shù)積累，往往率先推出高性能的光電子器件，定價(jià)權(quán)也就掌握在少數(shù)幾家企業(yè)手中。價(jià)格高昂的激光器芯片、探測(cè)器芯片、電芯片往往制約著光模塊的成本下降。實(shí)現(xiàn)光電子芯片的國產(chǎn)化必將有利于5G無線光模塊的成本下降。

3 5G無線光模塊的關(guān)鍵

技術(shù)

光模塊的使能技術(shù)可分為封裝技術(shù)和光/電器件技術(shù)。技術(shù)創(chuàng)新也基本體現(xiàn)在這2個(gè)方面。5G無線光模塊所需的封裝技術(shù)大部分可借鑒現(xiàn)有的成熟技術(shù)。例如：25 G BiDi光模塊的光路結(jié)構(gòu)與10 G BiDi光模塊類似，因此，可采用非常成熟的、基于TO-CAN同軸封裝技術(shù)的光收發(fā)模塊接口組件（BOSA）結(jié)構(gòu)，無需開發(fā)新的工藝，生產(chǎn)設(shè)備也可共用，這樣也更有利于實(shí)現(xiàn)低成本。再例如：非相干的200 G/400 G光模塊是基于單波50 G的單元技術(shù)，輔以波分復(fù)用技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，在封裝技術(shù)上，跟數(shù)據(jù)通信光模塊所采用的手段類似。

5G無線光模塊所需的關(guān)鍵技術(shù)將更多地體現(xiàn)在光/電器件技術(shù)方面。總結(jié)來說，光電子器件的技術(shù)創(chuàng)新可體現(xiàn)在這3個(gè)層面：功能的擴(kuò)展、速率的提升、成本的下降。例如：工業(yè)級(jí)溫度范圍的激光器芯片將不再需要溫度控制器件；適用于非氣密性環(huán)境的激光器芯片將不再需要昂貴的氣密性封裝管殼；小發(fā)散角的激光器芯片將不再需要較為昂貴的非球透鏡；抗反射的激光器芯片將不再需要隔離器。這類創(chuàng)新均屬于對(duì)激光器芯片功能的擴(kuò)展，激光器芯片功能的擴(kuò)展將簡(jiǎn)化光模塊封裝，不僅提高了可靠性也同時(shí)降低了成本。

50 G PAM4光模塊采用的是25波特率激光器和探測(cè)器，以及高線性度的電芯片。相比較于25 G 不歸零碼（NRZ）光模塊，對(duì)光器件的帶寬、電芯片的線性度均提出了更高的要求。再例如：?jiǎn)尾?00 G光模塊將采用50 G波特率的光電子器件，當(dāng)性能可以滿足10 km傳輸且成本足夠低時(shí)將成為5G前傳的方案之一。上述2個(gè)例子均屬于光電子芯片在速率提升方面的創(chuàng)新。

對(duì)于5G回傳網(wǎng)絡(luò)，低成本相干100 G光模塊是十分渴求的技術(shù)。如何將應(yīng)用于遠(yuǎn)程骨干網(wǎng)的相干技術(shù)簡(jiǎn)化，在滿足200 km以內(nèi)傳輸距離要求的前提下盡可能地降低成本，是個(gè)非常好的研究課題。這類技術(shù)可歸類為降低成本的創(chuàng)新。

綜上所述，5G無線光模塊的關(guān)鍵技術(shù)更多地體現(xiàn)在光電子芯片的創(chuàng)新上，具體的技術(shù)包括：

·工業(yè)級(jí)溫度范圍的高速激光器芯片技術(shù)

·高線性度25 G波特率DFB芯片和EML芯片技術(shù)

·低成本25 G波長可調(diào)諧激光器芯片技術(shù)

·低成本非相干100 G的光模塊技術(shù)

·低成本相干100 G/200 G/400 G光模塊技術(shù)

·高線性度25 G/50 G的電芯片技術(shù)。

4 結(jié)束語

相比于4G時(shí)代，5G無線光模塊將在整個(gè)光模塊市場(chǎng)中占據(jù)更重要的地位，5G將成為光模塊行業(yè)發(fā)展的下一個(gè)風(fēng)口。5G無線通信所具備的高帶寬、低時(shí)延、大連接的特點(diǎn)對(duì)光模塊的功能和性能提出了更高的要求，將推動(dòng)光模塊、光電子芯片技術(shù)的進(jìn)步。技術(shù)創(chuàng)新和國產(chǎn)化替代將是實(shí)現(xiàn)低成本5G無線光模塊的主要途徑。

參考文獻(xiàn)

[1] CPRI. A Successful Industry Cooperation [EB/OL].（2014-09-09） [2018-06-23]. http：www.cpri.info/

[2] CWDM4 MSA. About CWDM4 MSA [EB/OL].（2014-09-09）[2018-06-23]. http：//www.cwdm4-msa.org/