5G应用关键光电子器件技术及产业化进展

梁雪瑞 武汉光迅科技股份有限公司高级工程师

张 华 青岛海信宽带多媒体技术股份有限公司高级工程师

吴冰冰 中国信息通信研究院技术与标准研究所高级工程师

1 引言

据ITU-T 2016年统计数据，截止到2015年12月，全球手机用户规模接近71亿人，占总人口规模的98.3%，移动用户基本已实现对全球人口的覆盖。在2016年全球34亿互联网用户中，移动互联网用户约占六成，增速均开始逼近人口自然增速。移动网主要靠光纤网承载——以中国电信为例，移动网络全程6900km的端到端数字连接99.9%靠光纤，其中巨量基站的互联和回传是耗纤的大头，5G的发展将更加依赖光网络的支撑。

5G在关键性能指标要求上有大幅的提升，为新类型的光器件规模应用提供了很好的市场机遇（见表1）。但另一方面，运营商对网络建设投资的回报周期要求更快更高。市场环境要求做“刚刚好”的光器件，即设计冗余适度的端到端设计，相对低的成本。中国电信专家表示“流量增速超摩尔定律（骨干网40%、城域网60%、移动网80%），而传送成本下降速率仅为摩尔定律一半。光器件将是前传成本瓶颈”。中国移动专家表示“前传25Gbit/s光模块需采用新的工艺和技术降低成本，期望第一阶段应用时价格50美元，第二阶段降至30美元。”

2 关键光电子器件及在5G传送网中的应用

2.1 5G传送网络架构

为了支持业务的多样性，5G传送网络架构中，前传、中传、回传网络将可能并重，具体请参考图1。其中，前传是RRU到DU（距离一般在10km以内，少数场景在20km；其中，应对时延要求高的场景，1～2km以内传输时延可做到约100μs），中传是DU到CU（距离一般在40km内，最多不超过80km），回传是CU到5G核心网（城域网，200km之内）。根据业务类型、属性选择不同的传输技术和相应的光器件是商用光网络建设的核心竞争力。

2.2 25G/50/100/400Gbit/s光收发模块

表1 传送网关键指标要求和可能用到的光器件

表2列出了5G传送网对高速光收发模块的主流规格需求。大带宽、小尺寸、低功耗及低成本成为光模块技术发展的基本特征。5G基站互联光模块从以6Gbit/s/10Gbit/s为主向以25Gbit/s/100Gbit/s为主升级，回传光模块逐渐以100Gbit/s/200Gbit/s/400Gbit/s速率为主。25GBaud光电子器件、PAM4调制解调技术及城域相干光模块技术将得到广泛应用。

图1 5G传输网络架构

近些年，大型数据中心建设已经推动并加速了25Gbit/s商业级光模块的应用进程。相比，5G前传因为是室外应用，需要25/100Gbit/s工业级（-40℃～85℃）光模块。目前实现宽温工作的技术方案主要有：

（1）商业级25Gbit/s直调激光器（DML）芯片+带制冷封装方式，优点是对激光器芯片要求低，缺点是增加了功耗与成本。

（2）直接采用工业级的25Gbit/sDML芯片，优点是封装简单、功耗成本低，缺点是工业级激光器芯片工艺实现困难（如掺铝量子阱材料生长），供应渠道有限。

此外，5G前传网络对光纤资源需求紧张，光纤直驱方式通常采用25Gbit/s单纤双向（Bidi）和100Gbit/s 4WDM光模块。目前Bidi方式仍有两组波长方案在讨论：方案一是1270nm和1330nm；方案二是1270nm和1310nm。方案一具备的优点是：1270nm/1330nm配置可以直接沿用10Gbit/sBidi模块的光器件封装工艺，继承现有供应链资源，有利于产品在短期内迅速上量并兼容早期4G基站。并且，1310nm/1330nm波长色散代价（10km或20km传输距离内）均在系统可接受范围内。

因为前传光模块需求规模占整个5G应用光模块市场的绝大部分，各主流器件、设备厂家也在尝试一些新的低成本光模块实现路径。如日本Fujitsu公司利用DMT技术实现单波100Gbit/s QSFP28模块，美国Molex厂家利用PAM4技术实现单波100Gbit/sQSFP28模块，还有光迅、海信等在尝试基于10GDML工温芯片的超频光模块。基本思路都是利用更复杂的电调制解调技术，来降低模块对激光器物理带宽的要求或减少激光器使用数量。

5G中传应用于机房环境，传输距离为10～40km，通常采用商业级光模块。由于业界普遍认为电芯片的降成本时间轨迹优于光芯片，业内更看好50Gbit/sPAM4模块会成为中传及未来PON网络升级的主流应用模块。目前，高线性度的50Gbit/sPAM4电芯片在市场可获得，25GBaud高线性度的激光器和探测器需要进一步的工艺摸索和改进。5G中传也可能采用DWDM环网结构，需要25Gbit/s NRZ（或50Gbit/s PAM4）彩光光收发模块产品。

5G回传属于城域网范畴，距离一般在200km以内，通常采用相干光收发模块。200Gbit/s/400Gbit/s相干光模块将占据主要的份额，其中单载波200Gbit/s DP-16QAM技术可能会成主流。目前，硅光子集成在相干光模块中已得到了规模应用——Acacia和Elenion等公司均已实现了除光源外的其它光路功能硅光集成。城域短距应用和量大的特点，将有助于推动相关的硅光技术获得更大的应用空间。

2.3 波长可调谐光收发模块和循环型阵列波导光栅

表2 5G传输网络对高速光收发模块的需求

在5G网络建设初期，前传会以光纤直驱方式为主。待到5G成熟期，伴随着高频组网或低频增点等深度覆盖，为了更充分地利用已有光纤资源，WDM方式会成为有益补充。中国联通牵头起草的ITU-TG.698.4标准（G.Metro），对波长可调谐光收发模块和循环型阵列波导光栅（CyclicAWG）提出了建议。目前，有多种技术可以实现波长可调谐激光器，其中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，量产成本相对低的优势，是行业内的主流技术方案（见表3）。近期，Finisar、Oclaro已经发布商用的25Gbit/s工业级波长可调谐光收发模块。但是运营商对25Gbit/s可调光收发模块成本做到200$之内的要求，仍是光器件行业面临的巨大挑战。

G.metro应用中，CyclicAWG可以实现100GHz通道间隔的20跳6循环波长规划，是前传光互联实现WDM可扩展和单纤双向（Bidi）功能的关键。结合工业级环境应用能力，CyclicAWG使得5G基站及网络站点的选址和建设变得更加容易。目前，Cyclic AWG产品实现主要有3种技术方案，详情参见表4。

2.4 可重构光分插复用器

图2 ROADM组网方式示例

表3 可调激光器技术方案对比

表4 CyclicAWG技术方案对比

为了获得更低时延的性能，可重构光分插复用器（ROADM）设备需要下沉到汇聚层，加速光层部署，提高承载网灵活性。ROADM主要包含的关键光器件有波长选择开关（WSS）和组播光开关（MCS）。图2展示了基于ROADM的8个方向的网络组网架构。在未来的5G网络和全光网建设中，ROADM产品将得到越来越多的应用。

3 相关光器件产业化现状

现就以上介绍的5G用的关键光器件产业现状进行汇总，具体如表5所示。

尽管在模块层面，国内器件厂家已可以提供大部分模块产品；但我们仍需清醒地看到，25Gbit/s及以上速率光电芯片及驱动电芯片的国产化率极低，供应层面上还主要依赖进口。国内仅有海思、光迅与海信等少数企业拥有10Gbit/s速率的光电子芯片量产能力。在5G应用的关键光电子器件上，国内产业链只有从“芯”开始，解决核心物料的“卡脖子”风险，才能更有效地支持国内5G光网络产业能更健康和持续的发展。根据三大运营商5G建设时间表，留给国内器件厂家也只有2～3年的时间窗口，现在来看已经非常紧迫。

表5 5G用光器件产业现状

4 结束语

光通信技术的发展离不开光通信器件技术突破。中国预计2019年5G预商用，光器件产业已做好准备。为了支持5G光网络产业更加健康和持续发展，国内光器件厂家要加快在25Gbit/s及以上核心光电子芯片的突破。