5G應(yīng)用關(guān)鍵光電子器件技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

梁雪瑞 武漢光迅科技股份有限公司高級工程師

張 華 青島海信寬帶多媒體技術(shù)股份有限公司高級工程師

吳冰冰 中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所高級工程師

1 引言

據(jù)ITU-T 2016年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截止到2015年12月，全球手機(jī)用戶規(guī)模接近71億人，占總?cè)丝谝?guī)模的98.3%，移動(dòng)用戶基本已實(shí)現(xiàn)對全球人口的覆蓋。在2016年全球34億互聯(lián)網(wǎng)用戶中，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶約占六成，增速均開始逼近人口自然增速。移動(dòng)網(wǎng)主要靠光纖網(wǎng)承載——以中國電信為例，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)全程6900km的端到端數(shù)字連接99.9%靠光纖，其中巨量基站的互聯(lián)和回傳是耗纖的大頭，5G的發(fā)展將更加依賴光網(wǎng)絡(luò)的支撐。

5G在關(guān)鍵性能指標(biāo)要求上有大幅的提升，為新類型的光器件規(guī)模應(yīng)用提供了很好的市場機(jī)遇（見表1）。但另一方面，運(yùn)營商對網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資的回報(bào)周期要求更快更高。市場環(huán)境要求做“剛剛好”的光器件，即設(shè)計(jì)冗余適度的端到端設(shè)計(jì)，相對低的成本。中國電信專家表示“流量增速超摩爾定律（骨干網(wǎng)40%、城域網(wǎng)60%、移動(dòng)網(wǎng)80%），而傳送成本下降速率僅為摩爾定律一半。光器件將是前傳成本瓶頸”。中國移動(dòng)專家表示“前傳25Gbit/s光模塊需采用新的工藝和技術(shù)降低成本，期望第一階段應(yīng)用時(shí)價(jià)格50美元，第二階段降至30美元?！?/p>

2 關(guān)鍵光電子器件及在5G傳送網(wǎng)中的應(yīng)用

2.1 5G傳送網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為了支持業(yè)務(wù)的多樣性，5G傳送網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，前傳、中傳、回傳網(wǎng)絡(luò)將可能并重，具體請參考圖1。其中，前傳是RRU到DU（距離一般在10km以內(nèi)，少數(shù)場景在20km；其中，應(yīng)對時(shí)延要求高的場景，1～2km以內(nèi)傳輸時(shí)延可做到約100μs），中傳是DU到CU（距離一般在40km內(nèi)，最多不超過80km），回傳是CU到5G核心網(wǎng)（城域網(wǎng)，200km之內(nèi)）。根據(jù)業(yè)務(wù)類型、屬性選擇不同的傳輸技術(shù)和相應(yīng)的光器件是商用光網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的核心競爭力。

2.2 25G/50/100/400Gbit/s光收發(fā)模塊

表1 傳送網(wǎng)關(guān)鍵指標(biāo)要求和可能用到的光器件

表2列出了5G傳送網(wǎng)對高速光收發(fā)模塊的主流規(guī)格需求。大帶寬、小尺寸、低功耗及低成本成為光模塊技術(shù)發(fā)展的基本特征。5G基站互聯(lián)光模塊從以6Gbit/s/10Gbit/s為主向以25Gbit/s/100Gbit/s為主升級，回傳光模塊逐漸以100Gbit/s/200Gbit/s/400Gbit/s速率為主。25GBaud光電子器件、PAM4調(diào)制解調(diào)技術(shù)及城域相干光模塊技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用。

圖1 5G傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

近些年，大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)已經(jīng)推動(dòng)并加速了25Gbit/s商業(yè)級光模塊的應(yīng)用進(jìn)程。相比，5G前傳因?yàn)槭鞘彝鈶?yīng)用，需要25/100Gbit/s工業(yè)級（-40℃～85℃）光模塊。目前實(shí)現(xiàn)寬溫工作的技術(shù)方案主要有：

（1）商業(yè)級25Gbit/s直調(diào)激光器（DML）芯片+帶制冷封裝方式，優(yōu)點(diǎn)是對激光器芯片要求低，缺點(diǎn)是增加了功耗與成本。

（2）直接采用工業(yè)級的25Gbit/sDML芯片，優(yōu)點(diǎn)是封裝簡單、功耗成本低，缺點(diǎn)是工業(yè)級激光器芯片工藝實(shí)現(xiàn)困難（如摻鋁量子阱材料生長），供應(yīng)渠道有限。

此外，5G前傳網(wǎng)絡(luò)對光纖資源需求緊張，光纖直驅(qū)方式通常采用25Gbit/s單纖雙向（Bidi）和100Gbit/s 4WDM光模塊。目前Bidi方式仍有兩組波長方案在討論：方案一是1270nm和1330nm；方案二是1270nm和1310nm。方案一具備的優(yōu)點(diǎn)是：1270nm/1330nm配置可以直接沿用10Gbit/sBidi模塊的光器件封裝工藝，繼承現(xiàn)有供應(yīng)鏈資源，有利于產(chǎn)品在短期內(nèi)迅速上量并兼容早期4G基站。并且，1310nm/1330nm波長色散代價(jià)（10km或20km傳輸距離內(nèi)）均在系統(tǒng)可接受范圍內(nèi)。

因?yàn)榍皞鞴饽K需求規(guī)模占整個(gè)5G應(yīng)用光模塊市場的絕大部分，各主流器件、設(shè)備廠家也在嘗試一些新的低成本光模塊實(shí)現(xiàn)路徑。如日本Fujitsu公司利用DMT技術(shù)實(shí)現(xiàn)單波100Gbit/s QSFP28模塊，美國Molex廠家利用PAM4技術(shù)實(shí)現(xiàn)單波100Gbit/sQSFP28模塊，還有光迅、海信等在嘗試基于10GDML工溫芯片的超頻光模塊?；舅悸范际抢酶鼜?fù)雜的電調(diào)制解調(diào)技術(shù)，來降低模塊對激光器物理帶寬的要求或減少激光器使用數(shù)量。

5G中傳應(yīng)用于機(jī)房環(huán)境，傳輸距離為10～40km，通常采用商業(yè)級光模塊。由于業(yè)界普遍認(rèn)為電芯片的降成本時(shí)間軌跡優(yōu)于光芯片，業(yè)內(nèi)更看好50Gbit/sPAM4模塊會(huì)成為中傳及未來PON網(wǎng)絡(luò)升級的主流應(yīng)用模塊。目前，高線性度的50Gbit/sPAM4電芯片在市場可獲得，25GBaud高線性度的激光器和探測器需要進(jìn)一步的工藝摸索和改進(jìn)。5G中傳也可能采用DWDM環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，需要25Gbit/s NRZ（或50Gbit/s PAM4）彩光光收發(fā)模塊產(chǎn)品。

5G回傳屬于城域網(wǎng)范疇，距離一般在200km以內(nèi)，通常采用相干光收發(fā)模塊。200Gbit/s/400Gbit/s相干光模塊將占據(jù)主要的份額，其中單載波200Gbit/s DP-16QAM技術(shù)可能會(huì)成主流。目前，硅光子集成在相干光模塊中已得到了規(guī)模應(yīng)用——Acacia和Elenion等公司均已實(shí)現(xiàn)了除光源外的其它光路功能硅光集成。城域短距應(yīng)用和量大的特點(diǎn)，將有助于推動(dòng)相關(guān)的硅光技術(shù)獲得更大的應(yīng)用空間。

2.3 波長可調(diào)諧光收發(fā)模塊和循環(huán)型陣列波導(dǎo)光柵

表2 5G傳輸網(wǎng)絡(luò)對高速光收發(fā)模塊的需求

在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，前傳會(huì)以光纖直驅(qū)方式為主。待到5G成熟期，伴隨著高頻組網(wǎng)或低頻增點(diǎn)等深度覆蓋，為了更充分地利用已有光纖資源，WDM方式會(huì)成為有益補(bǔ)充。中國聯(lián)通牽頭起草的ITU-TG.698.4標(biāo)準(zhǔn)（G.Metro），對波長可調(diào)諧光收發(fā)模塊和循環(huán)型陣列波導(dǎo)光柵（CyclicAWG）提出了建議。目前，有多種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)波長可調(diào)諧激光器，其中基于取樣光柵分布布拉格反射器（SG-DBR）技術(shù)的激光器，具有波長可調(diào)諧范圍寬、調(diào)諧速度快、調(diào)制速率高，量產(chǎn)成本相對低的優(yōu)勢，是行業(yè)內(nèi)的主流技術(shù)方案（見表3）。近期，F(xiàn)inisar、Oclaro已經(jīng)發(fā)布商用的25Gbit/s工業(yè)級波長可調(diào)諧光收發(fā)模塊。但是運(yùn)營商對25Gbit/s可調(diào)光收發(fā)模塊成本做到200$之內(nèi)的要求，仍是光器件行業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)。

G.metro應(yīng)用中，CyclicAWG可以實(shí)現(xiàn)100GHz通道間隔的20跳6循環(huán)波長規(guī)劃，是前傳光互聯(lián)實(shí)現(xiàn)WDM可擴(kuò)展和單纖雙向（Bidi）功能的關(guān)鍵。結(jié)合工業(yè)級環(huán)境應(yīng)用能力，CyclicAWG使得5G基站及網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)的選址和建設(shè)變得更加容易。目前，Cyclic AWG產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)主要有3種技術(shù)方案，詳情參見表4。

2.4 可重構(gòu)光分插復(fù)用器

圖2 ROADM組網(wǎng)方式示例

表3 可調(diào)激光器技術(shù)方案對比

表4 CyclicAWG技術(shù)方案對比

為了獲得更低時(shí)延的性能，可重構(gòu)光分插復(fù)用器（ROADM）設(shè)備需要下沉到匯聚層，加速光層部署，提高承載網(wǎng)靈活性。ROADM主要包含的關(guān)鍵光器件有波長選擇開關(guān)（WSS）和組播光開關(guān)（MCS）。圖2展示了基于ROADM的8個(gè)方向的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)。在未來的5G網(wǎng)絡(luò)和全光網(wǎng)建設(shè)中，ROADM產(chǎn)品將得到越來越多的應(yīng)用。

3 相關(guān)光器件產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

現(xiàn)就以上介紹的5G用的關(guān)鍵光器件產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀進(jìn)行匯總，具體如表5所示。

盡管在模塊層面，國內(nèi)器件廠家已可以提供大部分模塊產(chǎn)品；但我們?nèi)孕枨逍训乜吹剑?5Gbit/s及以上速率光電芯片及驅(qū)動(dòng)電芯片的國產(chǎn)化率極低，供應(yīng)層面上還主要依賴進(jìn)口。國內(nèi)僅有海思、光迅與海信等少數(shù)企業(yè)擁有10Gbit/s速率的光電子芯片量產(chǎn)能力。在5G應(yīng)用的關(guān)鍵光電子器件上，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈只有從“芯”開始，解決核心物料的“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)，才能更有效地支持國內(nèi)5G光網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)能更健康和持續(xù)的發(fā)展。根據(jù)三大運(yùn)營商5G建設(shè)時(shí)間表，留給國內(nèi)器件廠家也只有2～3年的時(shí)間窗口，現(xiàn)在來看已經(jīng)非常緊迫。

表5 5G用光器件產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

4 結(jié)束語

光通信技術(shù)的發(fā)展離不開光通信器件技術(shù)突破。中國預(yù)計(jì)2019年5G預(yù)商用，光器件產(chǎn)業(yè)已做好準(zhǔn)備。為了支持5G光網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)更加健康和持續(xù)發(fā)展，國內(nèi)光器件廠家要加快在25Gbit/s及以上核心光電子芯片的突破。