5G時(shí)代光模塊的需求和技術(shù)解析
2019/10/10 23:25:52
、50G 脈幅調(diào)制（PAM4）光模塊、低成本相干100G 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 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 時(shí)代，低成本將依然是產(chǎn)業(yè)鏈對(duì)光模塊的主要訴求
● 實(shí)現(xiàn)低成本最根本的手段是技術(shù)創(chuàng)新
● 光電子器件的技術(shù)創(chuàng)新可體現(xiàn)在3 個(gè)層面：功能的擴(kuò)展、速率的提升、成本的下降
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(zhǎng)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)25G 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10G 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[1]下，25 Gbit/s 的速率也成為必須�；谏鲜�2 方面的考慮，25G 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(zhǎng)選擇上，1270/1 330 nm方案將有利于實(shí)現(xiàn)低成本光模塊。
（2）5G 回傳對(duì)50G 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�？紤]到低成本實(shí)現(xiàn)方式，基于25G 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方案。50G PAM4光模塊有10 km 和40 km 2 種主要規(guī)格。10 km 規(guī)格能以25G 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25G 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100G 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100G/200G/400G 光模塊有需求，波長(zhǎng)在C 波段，傳輸距離一般在200 km 以內(nèi)。低成本的相干100G 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?jī)赡晗陆?0%，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)所需功能。例如：將10G 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10G 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10G 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，對(duì)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�；跀�(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：25G 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100G 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25G，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(zhǎng)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)格高企的激光器芯片、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：25G BiDi 光模塊的光路結(jié)構(gòu)與10G 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200G/400G 光模塊是基于單波50G 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。
50G 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25G 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?00G 光模塊將采用50G 波特率的光電子器件，當(dāng)性能可以滿足10 km 傳輸、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100G 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25G 波特率DFB 芯片和EML 芯片技術(shù)
● 低成本 25G 波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器芯片技術(shù)
● 低成本非相干100G 光模塊技術(shù)
● 低成本相干100G/200G/400G 光模塊技術(shù)
● 高線性度 25G/50G 電芯片技術(shù)。
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。
