5G無線光模塊的需求分析和關鍵技術

張華 黃衛平

摘要：

25 G BiDi光模塊、50 G的4級脈幅調制（PAM4）光模塊、低成本相干100 G光模塊是5G前傳、中傳、回傳網絡對光模塊需求的幾個典型代表。低成本是產業鏈對5G無線光模塊的主要訴求點，規格分級、產業鏈共享、技術創新、國產化替代是實現低成本的幾個主要手段。5G無線光模塊的關鍵技術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創新的主要抓手。

5G無線光模塊；光電子芯片；低成本

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

5G wireless transceiver； optoelectronic chip； low cost

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。當前的無線通信網絡，除了“最后一公里”是“無線”形態，天線之后的通信鏈路全部是光纖網絡。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、長距離的天生優勢極好地滿足了5G對承載網絡的要求。在前5G時代，光纖通信技術和產業得以快速發展的終端驅動力是以有線形式接入的家庭和企業，“光纖到家”和“光纖到樓”的普及和后續升級帶動了接入網、城域網、骨干網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、工業設備等作為新的終端，將跟固網接入的終端共同推動光纖通信的技術進步和產業發展。

4G的部署為光模塊行業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網絡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25 G BiDi光模塊的需求

在4G時代，前傳網絡對光模塊的需求以單模10 G Duplex為主。到了5G時代，前傳網絡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。考慮到節省光纖資源、上下行等距能保證高精度時間同步，BiDi的產品形態比Duplex更具優勢。另一方面，5G相比于4G在下載速率上至少有10倍的提升，在以太網通用公共無線電接口（eCPRI）協議下[1]，25 Gbit/s的速率也成為必須。基于上述2方面的考慮，25 G 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應用場景。在波長選擇上，1 270/1 330 nm方案將有利于實現低成本光模塊。

（2）5G回傳對50 G PAM4光模塊的需求

5G的中傳網絡或回傳接入層將對50 Gbit/s速率的光模塊有需求。考慮到低成本實現方式，基于25 G光器件、輔以脈幅調制（PAM4）調制格式將成為更具吸引力的一個方案。50 G PAM4光模塊有10 km以及40 km 2種主要規格。10 km規格能以25 G波特率直接調制激光器實現，同時也保證了低成本。40 km規格則需要使用25 G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的規格均對高線性度的激光器驅動器和跨阻放大器有需求。

（3）5G回傳對低成本相干100 G光模塊的需求

5G回傳網絡的匯聚層和核心層，對相干100 G、200 G、400 G光模塊有需求，波長在C波段，傳輸距離一般在200 km以內。低成本的相干100 G光模塊被視為單元技術，基于此單元技術，依靠波分復用技術可實現更高的傳輸帶寬。

2 低成本是5G無線光模塊

的關鍵

在過去幾年里，4G無線光模塊的市場售價幾乎是每2年下降40%，有利地促進了4G的大規模部署。可以說，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，其中之一是產業鏈恰到好處地定義了不同種類的光模塊規格，在滿足性能指標要求的前提下，以低成本的技術手段實現所需要的功能，例如：將10 G垂直腔面發射激光器（VCSEL）技術用于150 m以內傳輸距離的光模塊，將10 G法布里-珀羅（FP）激光器技術用于1.4 km以內傳輸距離的光模塊；而對于10 km傳輸距離的需求，則使用10 G 分布式反饋激光器（DFB）技術。簡而言之：性能要求高的場景，選擇較貴的技術；而性能要求低的場景，選擇較便宜的技術。

到了5G時代，光模塊的需求量將超過4G時代，低成本將依然成為產業鏈對光模塊的主要訴求。根據應用場景的不同，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手段，這也許將繼續成為5G無線光模塊實現低成本的有效策略。

共享產業鏈也將有利于達成低成本目標。數據中心光互聯對高帶寬的需求是領先于固網接入和無線接入的。因此，25 Gbit/s速率的光器件早已被廣泛應用于數據通信光模塊。基于數據通信光模塊已經大量使用的光器件及其相關技術來開發5G無線光模塊，也是實現低成本的策略之一。例如：25 G BiDi光模塊所使用的25 Gbit/s 1 270/1 330 nm的激光器，和用于數據中心100 G粗波分復用器（CWDM4）光模塊[2]所使用的激光器類似，區別在于其不同的溫度范圍。

實現低成本最根本的手段是技術創新，包括網絡架構、物理層光器件、網絡協議等各個方面的創新。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）提出了新的協議標準eCPRI，前傳接口帶寬得以被壓縮至25 G，從而降低了光模塊的成本，這是在網絡協議層面的創新。再例如：考慮到無線應用場景對工業級溫度的剛需，以工業級溫度范圍的激光器替代商業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新。

國產化替代也是實現低成本的手段之一。國際上領先企業得益于其長時間的技術積累，往往率先推出高性能的光電子器件，定價權也就掌握在少數幾家企業手中。價格高昂的激光器芯片、探測器芯片、電芯片往往制約著光模塊的成本下降。實現光電子芯片的國產化必將有利于5G無線光模塊的成本下降。

3 5G無線光模塊的關鍵

技術

光模塊的使能技術可分為封裝技術和光/電器件技術。技術創新也基本體現在這2個方面。5G無線光模塊所需的封裝技術大部分可借鑒現有的成熟技術。例如：25 G BiDi光模塊的光路結構與10 G BiDi光模塊類似，因此，可采用非常成熟的、基于TO-CAN同軸封裝技術的光收發模塊接口組件（BOSA）結構，無需開發新的工藝，生產設備也可共用，這樣也更有利于實現低成本。再例如：非相干的200 G/400 G光模塊是基于單波50 G的單元技術，輔以波分復用技術來實現，在封裝技術上，跟數據通信光模塊所采用的手段類似。

5G無線光模塊所需的關鍵技術將更多地體現在光/電器件技術方面。總結來說，光電子器件的技術創新可體現在這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；適用于非氣密性環境的激光器芯片將不再需要昂貴的氣密性封裝管殼；小發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。

50 G 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25 G 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100 G光模塊將采用50 G波特率的光電子器件，當性能可以滿足10 km傳輸且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新。

對于5G回傳網絡，低成本相干100 G光模塊是十分渴求的技術。如何將應用于遠程骨干網的相干技術簡化，在滿足200 km以內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。這類技術可歸類為降低成本的創新。

綜上所述，5G無線光模塊的關鍵技術更多地體現在光電子芯片的創新上，具體的技術包括：

·工業級溫度范圍的高速激光器芯片技術

·高線性度25 G波特率DFB芯片和EML芯片技術

·低成本25 G波長可調諧激光器芯片技術

·低成本非相干100 G的光模塊技術

·低成本相干100 G/200 G/400 G光模塊技術

·高線性度25 G/50 G的電芯片技術。

4 結束語

相比于4G時代，5G無線光模塊將在整個光模塊市場中占據更重要的地位，5G將成為光模塊行業發展的下一個風口。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、光電子芯片技術的進步。技術創新和國產化替代將是實現低成本5G無線光模塊的主要途徑。

參考文獻

[1] CPRI. A Successful Industry Cooperation [EB/OL].（2014-09-09） [2018-06-23]. http：www.cpri.info/

[2] CWDM4 MSA. About CWDM4 MSA [EB/OL].（2014-09-09）[2018-06-23]. http：//www.cwdm4-msa.org/