5G時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)對光模塊需求的幾個典型代表。低成本是產(chǎn)業(yè)鏈對5G 無線光模塊的主要訴求點，規(guī)格分級、產(chǎn)業(yè)鏈共享、技術(shù)創(chuàng)新、國產(chǎn)化替代是實現(xiàn)低成本的幾個主要手段。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注入新的動力并進一步增大該細分市場的空間
● 5G 時代，低成本將依然是產(chǎn)業(yè)鏈對光模塊的主要訴求
● 實現(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 個層面：功能的擴展、速率的提升、成本的下降
1、5G 對光模塊的需求
隨著對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 時代，代際升級所帶來的絕不僅僅是下載速率的大幅提升，在4G 時代所不具備的低時延、大規(guī)模機器通信的特點將催生諸如無人駕駛、萬物互連等全新的應(yīng)用。
因此，5G 無線通信對生活的改變將遠超過3G 和4G。光纖通信所具備的大容量、長距離的天生優(yōu)勢極好地滿足了5G對承載網(wǎng)絡(luò)的要求。在前5G 時代，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)升級帶動了接入網(wǎng)、城域網(wǎng)、骨干網(wǎng)的全面覆蓋和性能升級。在5G 時代，以無線形式接入的手機、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光纖通信的技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
4G 的部署為光模塊行業(yè)帶來了一個新的細分市場，5G 的需求將為無線光模塊市場注入新的動力并進一步增大該細分市場的空間。5G 網(wǎng)絡(luò)所具備的站點密度增大、時間同步精度提高等特點對光模塊的功能和性能提出了新的要求。接下來，將以幾個有代表性的例子說明5G對光模塊的需求。
（1）5G 前傳對25G BiDi 光模塊的需求
在 4G 時代，前傳網(wǎng)絡(luò)對光模塊的需求以單模10G Duplex 為主。到了5G 時代，前傳網(wǎng)絡(luò)仍將以光纖直驅(qū)為主，但對光模塊的速率和光口提出了新的要求�？紤]到節(jié)省光纖資源、上下行等距能保證高精度時間同步，BiDi 的產(chǎn)品形態(tài)比Duplex 更具優(yōu)勢。
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。基于上述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)用場景。在波長選擇上，1270/1 330 nm方案將有利于實現(xiàn)低成本光模塊。
（2）5G 回傳對50G PAM4 光模塊的需求
5G 的中傳網(wǎng)絡(luò)或回傳接入層將對50 Gbit/s 速率的光模塊有需求�？紤]到低成本實現(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)制激光器實現(xiàn)，同時也保證了低成本。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器。另一方面，10 km 和40 km 的規(guī)格均對高線性度的激光器驅(qū)動器和跨阻放大器有需求。
（3）5G 回傳對低成本相干100G 光模塊的需求
5G 回傳網(wǎng)絡(luò)的匯聚層和核心層，對相干100G/200G/400G 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 無線光模塊的市場售價幾乎是每兩年下降40%，有利地促進了4G 的大規(guī)模部署�？梢哉f，4G 無線光模塊較好地滿足了下游客戶對其低成本的要求。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，在滿足性能指標要求的前提下，以低成本的技術(shù)手段實現(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)。
簡而言之：性能要求高的場景，選擇較貴的技術(shù)，而性能要求低的場景，選擇較便宜的技術(shù)。
到了 5G 時代，對光模塊的需求量將超過4G 時代，低成本將依然成為產(chǎn)業(yè)鏈對光模塊的主要訴求。根據(jù)應(yīng)用場景的不同，針對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 無線光模塊實現(xiàn)低成本的有效策略。共享產(chǎn)業(yè)鏈也將有利于達成低成本目標。
數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)對高帶寬的需求是領(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)議等各個方面的創(chuàng)新。例如：4G 時代遠端射頻模塊（RRU）和基帶處理單元（BBU）之間的信號傳輸使用CPRI 協(xié)議，為應(yīng)對5G 對帶寬更高的需求，第3 代合作伙伴項目（3GPP）提出了新的協(xié)議標準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)用場景對工業(yè)級溫度的剛需，以工業(yè)級溫度范圍的激光器替代商業(yè)級溫度范圍的激光器，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)得益于其長時間的技術(shù)積累，往往率先推出高性能的光電子器件，定價權(quán)也就掌握在少數(shù)幾家企業(yè)手中。價格高企的激光器芯片、探測器芯片、電芯片往往制約著光模塊的成本下降。實現(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 個層面：功能的擴展、速率的提升、成本的下降。例如：工業(yè)級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)新均屬于對激光器芯片功能的擴展，激光器芯片功能的擴展將簡化光模塊封裝，不僅提高了可靠性也同時降低了成本。
50G PAM4 光模塊采用的是25 波特率激光器和探測器，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：單波100G 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、成本足夠低時將成為5G 前傳的方案之一。上述2 個例子均屬于光電子芯片在速率提升方面的創(chuàng)新。
對于 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)用于遠程骨干網(wǎng)的相干技術(shù)簡化，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 時代，5G 無線光模塊將在整個光模塊市場中占據(jù)更重要的地位，5G 將成為光模塊行業(yè)發(fā)展的下一個風(fēng)口。5G 無線通信所具備的高帶寬、低時延、大連接的特點對光模塊的功能和性能提出了更高的要求，將推動光模塊、光電子芯片技術(shù)的進步。技術(shù)創(chuàng)新和國產(chǎn)化替代將是實現(xiàn)低成本5G 無線光模塊的主要途徑。
