5G 前传关键光模块技术解决方案

[来源：纤亿通] [日期：2019-02-18] [点击数：8492]

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、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1 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2和图3所示。

图2 超频方案功能框图 图3 PAM4方案功能框图

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10~15km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。

二、 25Gb/s单纤双向灰光模块

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4所示。

图4 25Gb/s单纤双向灰光模块

c）产品示例

环形器方案对公共端（图4b中的两端）反射串扰非常敏感，出纤需要采用具有高回损指标的光纤倾斜端面接口，并对实际工程使用提出了较高的防尘要求，25Gb/s BiDi光模块建议优先考虑WDM方案。在波长对选择上业界主要有 1270nm/1310nm和1270nm/1330nm两种方案， CCSA 25Gb/s BiDi光模块标准征求意见稿已初步确定1270nm/1330nm波长方案，预计在2019年完成标准制定工作。

三、 25Gb/s可调谐彩光模块

在5G网络建设初期，前传将以光纤直驱方式为主，伴随着高频组网以及低频增点等深度覆盖，为充分利用已有光纤资源或解决光纤资源紧张问题，WDM方式会成为有益补充，其中波长可调谐（Tunable）光模块是其核心单元。我国牵头起草发布的ITU-T G.698.4标准（G.Metro）已定义10Gb/s接入型WDM组网和波长无关、无色化实现机制，目前业界正在探讨25Gb/s速率的技术方案。25Gb/s波长可调谐光模块功能框图如图5所示。

图5 25Gb/s波长可调谐彩光模块

根据光源类型及调谐方式的不同，波长可调谐激光器存在多种技术方案，五种最典型的方案对比如表4所示。基于取样光栅分布布拉格反射器（SG-DBR）技术的激光器具有波长可调谐范围宽、调谐速度快、调制速率高和成本相对较低等优势，是业界主流技术方案，受专利等限制，国内量产能力有限。目前国内基本具备DBR可调激光器的产业化能力，波长调谐范围支持10nm量级，一般可满足20通道@100GHz波长间隔的应用场景。另外，外腔激光器、微机电系统（MEMS） VCSEL、DFB阵列等方案因成本、稳定性、工作带宽和调谐时间等限制尚在进一步研究中，尚不具备规模产业化能力。

表4 波长可调谐激光器技术方案

四、100/200Gb/s单纤双向灰光模块

100/200Gb/s BiDi 10km光模块的技术方案正处于研究阶段，典型实现方式包括环形器和WDM两种，功能框图如图6所示。

图6 100Gb/s BiDi灰光模块功能框图

100/200Gb/s BiDi光模块的核心激光器芯片主要由国外厂商提供，目前可支持O波段CWDM （4波）或LWDM（4波）两种，波长数量有限。现阶段单纤双向技术的实现方案建议优先采用小型化环形器（图6 a所示）。后续随着PAM4技术进一步成熟，2×50Gb/s或1×100Gb/s或将成为下一代100Gb/s光模块的主流技术方案，采用WDM实现单纤双向将是更经济的方式（图6 b所示）。

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