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5G無(wú)線(xiàn)光模塊的需求分析和關(guān)鍵技術(shù)

2020/1/2 11:06:41

摘要

25G BiDi光模塊、50G脈幅調制(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(gè)典型代表。低成本是產(chǎn)業(yè)鏈對5G無(wú)線(xiàn)光模塊的主要訴求點(diǎn),規格分級、產(chǎn)業(yè)鏈共享、技術(shù)創(chuàng )新、國產(chǎn)化替代是實(shí)現低成本的幾個(gè)主要手段。5G無(wú)線(xiàn)光模塊的關(guān)鍵技術(shù)主要體現在光電子芯片層面,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。

關(guān)鍵詞

5G無(wú)線(xiàn)光模塊;光電子芯片;低成本

Abstract

25G BiDi, 50G 4-level pulse amplitude modulation (PAM4), low-cost coherent 100G are the typical examples of the transceivers demanded by the 5G wireless front-haul and 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.

Key words

5G wireless Optical transceiver; optoelectronic chip; low cost

● 5G的需求將為無(wú)線(xiàn)光模塊市場(chǎng)注入新的動(dòng)力并進(jìn)一步增大該細分市場(chǎng)的空間

● 5G時(shí)代,低成本將依然是產(chǎn)業(yè)鏈對光模塊的主要訴求

● 實(shí)現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 )新可體現在3個(gè)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(zhù)對下載速率要求的逐漸提高,無(wú)線(xiàn)通信愈加依賴(lài)于光纖通信。當前的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò ),除了“最后一公里”是“無(wú)線(xiàn)”形態(tài),天線(xiàn)之后的通信鏈路全部是光纖網(wǎng)絡(luò )。到了5G時(shí)代,代際升級所帶來(lái)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、大規模機器通信的特點(diǎn)將催生諸如無(wú)人駕駛、萬(wàn)物互連等全新的應用。因此,5G無(wú)線(xiàn)通信對生活的改變將遠超過(guò)3G和4G。光纖通信所具備的大容量、長(cháng)距離的天生優(yōu)勢極好地滿(mǎn)足了5G對承載網(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)展的終端驅動(dòng)力是以有線(xiàn)形式接入的家庭和企業(yè),“光纖到家”和“光纖到樓”的普及和后續升級帶動(dòng)了接入網(wǎng)、城域網(wǎng)、骨干網(wǎng)的全面覆蓋和性能升級。在5G時(shí)代,以無(wú)線(xiàn)形式接入的手機、汽車(chē)、家電、工業(yè)設備等作為新的終端,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(lái)了一個(gè)新的細分市場(chǎng),5G的需求將為無(wú)線(xiàn)光模塊市場(chǎng)注入新的動(dòng)力并進(jìn)一步增大該細分市場(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)對光模塊的功能和性能提出了新的要求。接下來(lái),將以幾個(gè)有代表性的例子說(shuō)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(shí)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(shí)代,前傳網(wǎng)絡(luò )仍將以光纖直驅為主,但對光模塊的速率和光口提出了新的要求?紤]到節省光纖資源、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。另一方面,5G相比于4G在下載速率上至少有10倍的提升,在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(mǎn)足5G前傳的需求。10 km的傳輸距離能覆蓋大多數應用場(chǎng)景。在波長(cháng)選擇上,1 270/1 330 nm方案將有利于實(shí)現低成本光模塊。

(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(shí)現方式,基于25G光器件、輔以脈幅調制(PAM4)調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種主要規格。10 km規格能以25G波特率直接調制激光器實(shí)現,同時(shí)也保證了低成本。40 km規格則需要使用25G波特率電吸收調制激光器和雪崩光電探測器。另一方面,10 km和40 km的規格均對高線(xiàn)性度的激光器驅動(dòng)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(cháng)在C波段,傳輸距離一般在200 km以?xún)。低成本的相?00G光模塊被視為單元技術(shù),基于此單元技術(shù),依靠波分復用技術(shù)可實(shí)現更高的傳輸帶寬。

2

低成本是5G無(wú)線(xiàn)光模塊的關(guān)鍵

在過(guò)去幾年里,4G無(wú)線(xiàn)光模塊的市場(chǎng)售價(jià)幾乎是每?jì)赡晗陆?0%,有利地促進(jìn)了4G的大規模部署?梢哉f(shuō),4G無(wú)線(xiàn)光模塊較好地滿(mǎn)足了下游客戶(hù)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(lèi)的光模塊規格,在滿(mǎn)足性能指標要求的前提下,以低成本的技術(shù)手段實(shí)現所需功能。例如:將10G垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)技術(shù)用于150 m以?xún)葌鬏斁嚯x的光模塊,將10G法布里-珀羅(FP)激光器技術(shù)用于1.4 km以?xún)葌鬏斁嚯x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(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,對光模塊的需求量將超過(guò)4G時(shí)代,低成本將依然成為產(chǎn)業(yè)鏈對光模塊的主要訴求。根據應用場(chǎng)景的不同,針對不同的傳輸距離定義出幾種不同規格的光模塊,并根據規格選擇相應的技術(shù)手段,這也許將繼續成為5G無(wú)線(xiàn)光模塊實(shí)現低成本的有效策略。

共享產(chǎn)業(yè)鏈也將有利于達成低成本目標。數據中心光互聯(lián)對高帶寬的需求是領(lǐng)先于固網(wǎng)接入和無(wú)線(xiàn)接入的。因此,25 Gbit/s速率的光器件早已被廣泛應用于數據通信光模塊;跀祿ㄐ殴饽K已經(jīng)大量使用的光器件及其相關(guān)技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)5G無(wú)線(xiàn)光模塊,也是實(shí)現低成本的策略之一。例如:25G BiDi光模塊所使用的25 Gbit/s 1270/1330 nm的激光器,和用于數據中心100G粗波分復用器(CWDM4)光模塊[2]所使用的激光器類(lèi)似,區別在于不同的溫度范圍。

實(shí)現低成本最根本的手段是技術(shù)創(chuàng )新,包括網(wǎng)絡(luò )架構、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(wú)線(xiàn)應用場(chǎng)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(shí)現低成本的手段之一。國際上領(lǐng)先企業(yè)得益于其長(cháng)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)權也就掌握在少數幾家企業(yè)手中。價(jià)格高企的激光器芯片、探測器芯片、電芯片往往制約著(zhù)光模塊的成本下降。實(shí)現光電子芯片的國產(chǎn)化必將有利于5G無(wú)線(xiàn)光模塊的成本下降。

3

5G無(wú)線(xiàn)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 )新也基本體現在這2個(gè)方面。5G無(wú)線(xiàn)光模塊所需的封裝技術(shù)大部分可借鑒現有的成熟技術(shù)。例如:25G BiDi光模塊的光路結構與10G BiDi光模塊類(lèi)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)結構,無(wú)需開(kāi)發(fā)新的工藝,生產(chǎn)設備也可共用,這樣也更有利于實(shí)現低成本。再例如:非相干的200G/400G光模塊是基于單波50G的單元技術(shù),輔以波分復用技術(shù)來(lái)實(shí)現,在封裝技術(shù)上,跟數據通信光模塊所采用的手段類(lèi)似。

5G無(wú)線(xiàn)光模塊所需的關(guān)鍵技術(shù)將更多地體現在光/電器件技術(shù)方面?偨Y來(lái)說(shuō),光電子器件的技術(shù)創(chuàng )新可體現在這3個(gè)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(lèi)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(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器,以及高線(xiàn)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(xiàn)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,當性能可以滿(mǎn)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)。如何將應用于遠程骨干網(wǎng)的相干技術(shù)簡(jiǎn)化,在滿(mǎn)足200 km以?xún)葌鬏斁嚯x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(lèi)技術(shù)可歸類(lèi)為降低成本的創(chuàng )新。

綜上所述,5G無(wú)線(xiàn)光模塊的關(guān)鍵技術(shù)更多地體現在光電子芯片的創(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(xiàn)性度25G波特率DFB芯片和EML芯片技術(shù)

● 低成本25G波長(cháng)可調諧激光器芯片技術(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(xiàn)性度25G/50G電芯片技術(shù)。

4

結束語(yǔ)

相比于4G時(shí)代,5G無(wú)線(xiàn)光模塊將在整個(gè)光模塊市場(chǎng)中占據更重要的地位,5G將成為光模塊行業(yè)發(fā)展的下一個(gè)風(fēng)口。5G無(wú)線(xiàn)通信所具備的高帶寬、低時(shí)延、大連接的特點(diǎn)對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)現低成本5G無(wú)線(xiàn)光模塊的主要途徑。

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