5G光模塊技術(shù)及方案對(duì)比

  5G國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施，為國(guó)內(nèi)5G通信市場(chǎng)帶來(lái)了巨大的推動(dòng)力，在交通、醫(yī)療等多個(gè)行業(yè)也形成了上百個(gè)5G創(chuàng)新應(yīng)用場(chǎng)景，后續(xù)5G與各行各業(yè)之間的持續(xù)深度融合，將會(huì)催生出更多新需求，創(chuàng)建出新業(yè)態(tài)和新模式。

  光模塊是5G網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)光電相互轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)單元，廣泛應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)及傳輸設(shè)備，是5G建設(shè)的重要部分。5G建設(shè)的資金壓力導(dǎo)致成本敏感，而光模塊成本在5G前傳部分設(shè)備中的占比高達(dá)50%以上。當(dāng)前，業(yè)界紛紛開(kāi)展5G光模塊的低成本方案研究，5G光模塊取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，涌現(xiàn)出多種解決方案。

  5G光模塊的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

  隨著5G技術(shù)的提出，國(guó)內(nèi)外各個(gè)產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)紛紛開(kāi)始進(jìn)行5G光模塊技術(shù)研究。2018年，新一代光傳送網(wǎng)發(fā)展論壇(NGOF)開(kāi)展了25 Gbit/s BIDI技術(shù)研究，該技術(shù)具有節(jié)省50%光纖資源、高精度時(shí)間同步等優(yōu)勢(shì)，契合5G業(yè)務(wù)需求，并可沿用10 Gbit/s時(shí)代業(yè)界廣泛采用的1330 nm和1270 nm上下行波長(zhǎng)組合方案，產(chǎn)業(yè)鏈成熟度高，方便產(chǎn)品的快速產(chǎn)業(yè)化。光模塊上下游產(chǎn)業(yè)鏈共同推動(dòng)，快速完成了25 Gbit/s BIDI光模塊的標(biāo)準(zhǔn)化，推進(jìn)指導(dǎo)了光模塊廠(chǎng)家產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。IMT-2020也同期開(kāi)展了5G承載光模塊研究工作，并根據(jù)5G發(fā)展進(jìn)程，及時(shí)發(fā)布了《5G承載光模塊白皮書(shū)》。現(xiàn)階段，O-RAN聯(lián)盟和IMT-2020也在積極推進(jìn)MWDM和LWDM波分技術(shù)應(yīng)用于5G前傳的研究工作。

  據(jù)Lightcounting預(yù)測(cè)，5G前傳光模塊將在未來(lái)幾年內(nèi)處于高速增長(zhǎng)階段。根據(jù)《5G承載光模塊白皮書(shū)》的分析，在5G建設(shè)初期，宜選用施工和維護(hù)管理比較簡(jiǎn)單的光纖直驅(qū)方案，采用25 Gbit/s雙纖雙向灰光模塊和25 Gbit/s BIDI光模塊。但是，隨著5G的深入發(fā)展，光纖資源緊張的問(wèn)題將逐步凸顯。因此，業(yè)界正在研發(fā)各種WDM解決方案。這些方案，根據(jù)其中是否采用有源設(shè)備，還可被細(xì)分為無(wú)源型、有源型和半有源型3種。5G前傳典型應(yīng)用方案[1]如圖1所示，其特點(diǎn)對(duì)比詳情見(jiàn)表1。

圖1 5G前傳典型應(yīng)用方案

表1 5G前傳應(yīng)用方案特點(diǎn)對(duì)比(對(duì)應(yīng)1個(gè)基站)

  基于建設(shè)成本、功能實(shí)現(xiàn)等多方面的綜合考慮，在實(shí)踐中選擇半有源型場(chǎng)景已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)共識(shí)。而在這種場(chǎng)景中根據(jù)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的不同，也存在4種方案。

  (1)DWDM：參考ITU-T G.698.4(原G.metro)，通道間隔為100GHz和50GHz，支持40/80個(gè)波長(zhǎng)。

  (2)CWDM：參考ITU-T G.694.2，通道間隔為20 nm，支持18個(gè)波長(zhǎng)。

  (3)LWDM：參考IEEE 802.3，通道間隔為800 GHz，擴(kuò)展后支持12個(gè)波長(zhǎng)。

  (4)MWDM：基于CWDM的波長(zhǎng)進(jìn)行左右偏移，采用非均勻的波長(zhǎng)間隔，支持12個(gè)波長(zhǎng)。

  在各方案研究中，為了便于運(yùn)維管理，陸續(xù)開(kāi)發(fā)、應(yīng)用了一些新的技術(shù)。例如，為了實(shí)現(xiàn)前傳網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控運(yùn)維，業(yè)界正在光模塊中開(kāi)發(fā)基于調(diào)頂方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)控信息通道的功能，這樣可以無(wú)需進(jìn)行額外的前傳來(lái)獨(dú)立管理通道建設(shè)[2]。

  5G光模塊的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程重點(diǎn)依賴(lài)其中使用的核心光/電芯片，當(dāng)前國(guó)內(nèi)廠(chǎng)家在國(guó)家政策的扶植和各廠(chǎng)家的持續(xù)投入下，相關(guān)重要光電芯片的產(chǎn)品化程度雖然與國(guó)外有一定差距，但整體差距不大。國(guó)內(nèi)外典型廠(chǎng)商光/電芯片產(chǎn)品化進(jìn)程[1]見(jiàn)表2。

表2 核心光/電芯片產(chǎn)品化進(jìn)程

  xWDM方案在5G前傳中的對(duì)比分析

  由于高帶寬應(yīng)用場(chǎng)景的存在, 以及中國(guó)移動(dòng)2.6 GHz頻譜160 MHz帶寬和中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)電信共建共享方案200 MHz頻譜帶寬的需求，在前傳解決方案中單個(gè)基站需要12個(gè)波長(zhǎng)。基于這些新的應(yīng)用需求，對(duì)4種WDM技術(shù)方案進(jìn)行分析。

  (1)25 Gbit/s DWDM方案包括兩種不同的實(shí)現(xiàn)手段：一是采用波長(zhǎng)可調(diào)諧光模塊，該方案具有端口無(wú)關(guān)、波長(zhǎng)自適應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，波長(zhǎng)可調(diào)諧范圍包括6波、12波、20波和40波等，可以一款光模塊滿(mǎn)足所有應(yīng)用場(chǎng)景的需求，但可調(diào)諧光模塊的高成本成為其推廣、應(yīng)用于5G前傳中的瓶頸。業(yè)界現(xiàn)在也在積極開(kāi)發(fā)低成本的窄帶可調(diào)光模塊，目前相關(guān)產(chǎn)品還處于驗(yàn)證階段;二是采用固定波長(zhǎng)光模塊，該方案同樣可以支持48波/96波，但整體運(yùn)行維護(hù)更加復(fù)雜。從圖2可以看出，DWDM波長(zhǎng)處于色散代價(jià)[3]較高的區(qū)域，激光器僅能使用EML激光器方案，成本較高，其低成本的窄帶可調(diào)方案仍處于驗(yàn)證階段，無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)推向市場(chǎng)。

圖2 波長(zhǎng)色散代價(jià)

  (2)25 Gbit/s CWDM方案中的前6個(gè)波可采用無(wú)制冷DML激光器和PIN探測(cè)器的低成本配置，并且具有成熟的產(chǎn)業(yè)鏈支持，具有非常大的優(yōu)勢(shì)，可以很好地滿(mǎn)足6波基站需求。但是，在面臨12波應(yīng)用需求時(shí)，CWDM方案的后6波也同樣面臨色散代價(jià)較大的問(wèn)題，無(wú)法采用DML激光器，需要采用EML激光器或APD探測(cè)器來(lái)保證相同的鏈路功率預(yù)算;中間的6波由于早期光纖存在水峰效應(yīng)，產(chǎn)業(yè)鏈供給相對(duì)空白。因此，在面臨12波的應(yīng)用需求時(shí)，該方案在成本控制上有較大難度，或者部分波長(zhǎng)沒(méi)有成熟的產(chǎn)業(yè)鏈支持。

  (3)25 Gbit/s MWDM方案在CWDM方案的前6波成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，通過(guò)將這6波分別向左或右平移波長(zhǎng)，從原有的6波擴(kuò)展成12波，波長(zhǎng)方案見(jiàn)表3。MWDM方案可以借鑒CWDM方案中DML激光器的成熟設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及工藝控制手段，激光器芯片的設(shè)計(jì)和制造難度不大，但是芯片重新設(shè)計(jì)的成本需要時(shí)間與規(guī)模化的應(yīng)用來(lái)降低，器件設(shè)計(jì)也需要增加TEC溫控來(lái)控制波長(zhǎng)漂移，這是MWDM方案必須面對(duì)的問(wèn)題。目前，中國(guó)移動(dòng)正在組織產(chǎn)業(yè)鏈上下游進(jìn)行MWDM技術(shù)方案及器件的研討和開(kāi)發(fā)。

表3 MWDM/LWDM中心波長(zhǎng)

  (4)25 Gbit/s LWDM方案中的波長(zhǎng)色散代價(jià)很小，采用PIN探測(cè)器接收就能很好地解決10 km甚至15 km的傳輸，但是目前LWDM方案僅有8個(gè)波長(zhǎng)較為成熟。中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)電信共建共享5G基站，共站頻譜帶寬達(dá)到200 MHz，需要12波的解決方案，為此業(yè)內(nèi)推出過(guò)多種方案，例如LWDM+CWDM混合、LWDM等距擴(kuò)展配置等，最終選擇按照800 GHz通道間隔上下擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)，具體的波長(zhǎng)方案見(jiàn)表3。雖然在工溫應(yīng)用中，同樣需要TEC控溫來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)穩(wěn)定，但此配置的8個(gè)波長(zhǎng)激光器的產(chǎn)業(yè)鏈成熟。4個(gè)新擴(kuò)展波長(zhǎng)激光器，有一個(gè)借用25 Gbit/s CWDM 1291 nm，其余3個(gè)可在原有LWDM波長(zhǎng)基礎(chǔ)上擴(kuò)展得到，因此在芯片技術(shù)方面不會(huì)有太多問(wèn)題。但也需要產(chǎn)業(yè)鏈上游重新設(shè)計(jì)芯片，也存在規(guī)模化與成本之間的博弈。目前，中國(guó)電信正在組織產(chǎn)業(yè)鏈上下游進(jìn)行LWDM的研討和開(kāi)發(fā)，初步預(yù)計(jì)將在2020年下半年完成在網(wǎng)的測(cè)試驗(yàn)證。

  不同的xWDM技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，當(dāng)前主要的技術(shù)方向是6通道采用6波長(zhǎng)CWDM配置;12通道采用12波長(zhǎng)MWDM/LWDM配置;DWDM波長(zhǎng)可調(diào)諧方案因?yàn)榫哂卸丝跓o(wú)關(guān)、波長(zhǎng)自適應(yīng)特性等其他方案無(wú)法取代的優(yōu)點(diǎn)，所以后續(xù)如果低成本可調(diào)諧激光器技術(shù)成熟，DWDM方案也將是比較合適的選擇。

  結(jié)束語(yǔ)

  5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的快速推進(jìn)給光模塊市場(chǎng)帶來(lái)了巨大的發(fā)展機(jī)遇和活力。但是，多應(yīng)用場(chǎng)景下不同技術(shù)解決方案的并存催生了多樣化的光模塊需求，在一定程度上導(dǎo)致了5G光模塊市場(chǎng)的碎片化。5G光模塊市場(chǎng)的良性發(fā)展，需要盡快實(shí)現(xiàn)5G光模塊技術(shù)解決方案的聚焦，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?yīng)，降低光模塊成本和產(chǎn)業(yè)鏈風(fēng)險(xiǎn)，推動(dòng)5G光模塊市場(chǎng)健康、有序地發(fā)展。

  參考文獻(xiàn)

  [1] IMT2020. 5G承載光模塊白皮書(shū)[R], 2019.

  [2] NGOF. 5G前傳技術(shù)及應(yīng)用白皮書(shū)[R], 2020.

  [3] ITU-T G.989.1.40-Gigabit-capable passive optical networks (NG-PON2): General requirements[S], 2013.

  文章作者

  宋夢(mèng)洋 武漢光迅科技股份有限公司高級(jí)工程師，主要從事標(biāo)準(zhǔn)管理和光模塊器件可靠性研究工作。

  李 巖 武漢光迅科技股份有限公司高級(jí)工程師，主要從事光傳送網(wǎng)用光模塊器件技術(shù)研究工作。

  蔣 波 武漢光迅科技股份有限公司高級(jí)工程師，主要從事光接入網(wǎng)用光模塊器件技術(shù)研究工作。

  江 毅 武漢光迅科技股份有限公司高級(jí)工程師，主要從事技術(shù)戰(zhàn)略規(guī)劃、資本運(yùn)作等工作。