前傳關鍵光模塊技術方案

導讀

光互聯論壇（ OIF ）、國內外標準化組織國際電聯（ITU-T）、電氣和電子工程師協會（IEEE）、4WDM等多源協議（MSA）、中國通信標準化協會（CCSA）等開展的5G承載相關的光模塊規範制定，涉及的模塊類型和接口特性種類繁雜、各不相同。

　　光互聯論壇（ OIF ）、國內外標準化組織國際電聯（ITU-T）、電氣和電子工程師協會（IEEE）、4WDM等多源協議（MSA）、中國通信標準化協會（CCSA）等開展的5G承載相關的光模塊規範制定，涉及的模塊類型和接口特性種類繁雜、各不相同。而前傳光模塊主要包括25Gb/s和100Gb/s兩大速率類型，支持數百米到20千米的典型傳輸距離，具體技術現狀如表1所示。

 

表1 5G前傳光模塊技術現狀

　　易飛揚根據應用場景、技術成熟度、成本等因素，重點針對25Gb/s雙纖雙向、25Gb/s單纖雙向、25Gb/s波長可調諧、100/200Gb/s單纖雙向等前傳關鍵光模塊技術方案進行分析並開展測試評估，協同業界聚焦和推動5G前傳光模塊產業良性健康發展。

1、25Gb/s雙纖雙向灰光模塊

　　25Gb/s雙纖雙向灰光模塊的典型傳輸距離包括300m和10km。300m光模塊通常用於基站的塔上塔下互連，10km光模塊主要用於傳輸距離更遠或鏈路損耗更大的AAU與接入機房（站點）之間的光纖直連場景。

　　25Gb/s雙纖雙向灰光模塊功能框圖及產品示例如圖1所示。IEEE 802.3cc已完成25GbE單模光纖接口規範，CCSA已啟動國內行業標準化制定工作，2019年完成報批。

 

圖1 25Gb/s雙纖雙向灰光模塊

　　光模塊可採用25G和10G兩種波特率的雷射器晶片來實現。25G波特率工業級雷射器晶片可靠性要求與量產工藝要求較高，市場供應渠道有限。10G波特率工業級雷射器晶片能充分利用成熟的供應鏈，可有效降低光模塊成本，目前業界主要有超頻、PAM4高階調製兩種實現方案，功能框圖分別如圖2所示。

 

圖2 超頻方案功能框圖和 PAM4方案

超頻方案包含FP和DFB兩種實現方式。FP雷射器方式中，影響傳輸距離的主要因素包括鏈路衰減損耗、碼間幹擾（ISI）代價、模式分配噪聲（MPN）代價等，理論上可支持300m以上的傳輸距離。DFB雷射器方式中，由於中心波長更靠近G.652光纖零色散點、光譜寬度更窄、以及可忽略模式分配噪聲等，理論上可支持10km以上的傳輸距離。

　　PAM4方案採用10G波特率的工業級雷射器與光探測器，但在配套IC方面需要更換為線性度更高的雷射器驅動和TIA晶片，同時增加25Gb/s NRZ和25Gb/s PAM4相互轉換的DSP晶片。目前已實現10~15km演示試驗，配套晶片仍處於研發階段，綜合成本有待進一步評估。

　　綜上分析，採用10G波特率工業級雷射器晶片的25Gb/s光模塊，300m規格可優先採用超頻方案，10km規格超頻方案存在一定技術挑戰；PAM4方案在10km及更長傳輸距離的應用取決於配套晶片的規模效應。

2、25Gb/s單纖雙向模塊

　　BiDi光模塊具有節省50%的光纖資源、上下行等距可有效保證高精度時間同步等優勢，典型傳輸距離10km、15km、20km。25G BiDi的技術方案主要有兩種，一是利用不同波長的波分復用（WDM）實現，二是利用相同（或不同）波長結合環形器的方式實現，如圖3所示。

 

圖3 25Gb/s單纖雙向灰光模塊

　　環形器方案對公共端（圖4b中的兩端）反射串擾非常敏感，出纖需要採用具有高回損指標的光纖傾斜端面接口，並對實際工程使用提出了較高的防塵要求，25Gb/s BiDi光模塊建議優先考慮WDM方案。在波長對選擇上業界主要有 1270nm/1310nm和1270nm/1330nm兩種方案。

　　3、25Gb/s可調諧彩光模塊

　　在5G網絡建設初期，前傳將以光纖直驅方式為主，伴隨著高頻組網以及低頻增點等深度覆蓋，為充分利用已有光纖資源或解決光纖資源緊張問題，WDM方式會成為有益補充，其中波長可調諧（Tunable）光模塊是其核心單元。我國牽頭起草發布的ITU-T G.698.4標準（G.Metro）已定義10Gb/s接入型WDM組網和波長無關、無色化實現機制，目前業界正在探討25Gb/s速率的技術方案。25Gb/s波長可調諧光模塊功能框圖如圖4所示。

 

圖4 25Gb/s波長可調諧彩光模塊

　　根據光源類型及調諧方式的不同，波長可調諧雷射器存在多種技術方案，五種最典型的方案對比如表2所示。基於取樣光柵分布布拉格反射器（SG-DBR）技術的雷射器具有波長可調諧範圍寬、調諧速度快、調製速率高和成本相對較低等優勢，是業界主流技術方案，受專利等限制，國內量產能力有限。目前國內基本具備DBR可調雷射器的產業化能力，波長調諧範圍支持10nm量級，一般可滿足20通道@100GHz波長間隔的應用場景。另外，外腔雷射器、微機電系統（MEMS） VCSEL、DFB陣列等方案因成本、穩定性、工作帶寬和調諧時間等限制尚在進一步研究中，尚不具備規模產業化能力。

表2 波長可調諧雷射器技術方案

　　4、100/200Gb/s單纖雙向光模塊

　　100/200Gb/s BiDi 10km光模塊的技術方案正處於研究階段，典型實現方式包括環形器和WDM兩種，功能框圖如圖5所示。

圖5 100Gb/s BiDi光模塊功能框圖

　　100/200Gb/s BiDi光模塊的核心雷射器晶片主要由國外廠商提供，目前可支持O波段CWDM（4波）或LWDM（4波）兩種，波長數量有限。現階段單纖雙向技術的實現方案建議優先採用小型化環形器（圖8 a所示）。後續隨著PAM4技術進一步成熟，2×50Gb/s或1×100Gb/s或將成為下一代100Gb/s光模塊的主流技術方案，採用WDM實現單纖雙向將是更經濟的方式（圖5 b所示）。