下一代5G承載光模塊白皮書 -IMT-2020（5G）推進組5G承載工作

IMT-2020(5G)推進組引言P1需求研究P2下一代5G前傳光模塊技術(shù)方案研究P3下一代5G中回傳光模塊技術(shù)方案研究P155G承載光模塊產(chǎn)業(yè)鏈研究P30總結(jié)P32主要主要貢獻單位P33IMTG)推進組于2013年2月由中國工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會、科學技術(shù)部聯(lián)合推動成立，組織架構(gòu)基于原IMT-Advanced推進組，成員包括中國主要的運營商、制造商、高校和研究機構(gòu)。推進組是聚合中國產(chǎn)學研用力IMT-2020(5G)推進組自2019年6月工業(yè)和信息化部正式發(fā)放牌照以來，我國第五代移動通信(5G)技術(shù)商用部署已有三年，并進入規(guī)?；瘧藐P(guān)鍵期。承載光模塊對于移動通信網(wǎng)絡的傳輸性能保障具有重要影響，隨著5G建設的持續(xù)推進和應用場景的日益豐富，為滿足更大帶寬、更高性能、更低成本和更小尺寸等承載需求，業(yè)界不斷探索新型5G前傳和中回傳光模塊技術(shù)研究，為Beyond5G乃至6G部署進行充分準備。早期，IMT-2020(5G)推進組5G承載工作組發(fā)布了《5G承載光模塊白皮書》、《5G承載與數(shù)據(jù)中心光模塊白皮書》，對5G承載、數(shù)據(jù)中心及全光接入等相關(guān)應用領(lǐng)域的光模塊技術(shù)進行了詳細研究，其中部分方案已逐步成熟并走向規(guī)模應用。本白皮書將在前期白皮書研究工作基礎(chǔ)上，結(jié)合下一代5G承載光模塊的核心需求，研究新型技術(shù)方案，并對5G承載光模塊及核心光電子芯片器件產(chǎn)品化能力進行評估，提出后續(xù)發(fā)展建議，推動下一代5G承載光模塊產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同有序發(fā)展。12IMT-2020(5G)推進組根據(jù)工業(yè)和信息化部公布的數(shù)據(jù)，2022年，我國累計建成開通5G基站超過230萬個；2023年，將出臺推動新型信息基礎(chǔ)設施建設協(xié)調(diào)發(fā)展的政策措施，加快5G和千兆光網(wǎng)建設，啟動“寬帶邊疆”建設，全面推進6G技術(shù)研發(fā)。隨著用戶持續(xù)增長，移動互聯(lián)網(wǎng)流量快速上升，5G網(wǎng)絡建設和優(yōu)化將不斷推進，更為豐富的頻譜資源也將被釋放出來，驅(qū)動承載技術(shù)迭代演進，以滿足日益凸顯的高速數(shù)據(jù)互前傳網(wǎng)絡對于下一代5G乃至6G網(wǎng)絡的傳輸性能和質(zhì)量具有重要影響，是移動通信新型網(wǎng)絡和承載技術(shù)研究的熱點之一。在我國，C-RAN組網(wǎng)模式大量部署，25Gb/sxWDM光模塊已廣泛應用于當前的5G前傳網(wǎng)絡。針對未來更高通道MassiveMIMO基站、U6G頻段基站、毫米波基站等應用場景，前傳網(wǎng)絡帶寬需求將進一步提升，在保留現(xiàn)有端口數(shù)量和節(jié)約光纖資源的前提下，業(yè)界已啟動50Gb/s及更高速率的下一代5G前傳光模塊技術(shù)研究。圖15G前傳承載需求演進目前，5G中回傳接入和匯聚層主要采用25Gb/s、50Gb/s和100Gb/s光模塊，下一代5G中回傳網(wǎng)絡將持續(xù)向200Gb/s等更高速率、大容量、低功耗、低時延和低成本方向演進。在光纖資源相對緊張的應用場景，單纖雙向光模塊相對于雙纖雙向光模塊可節(jié)省50%的光纖資源，且具有時延對稱性好等優(yōu)3IMT-2020(5G)推進組勢，100Gb/s單纖雙向光模塊成為業(yè)界研究熱點之一。此外，2021年發(fā)布的《5G承載與數(shù)據(jù)中心光模塊白皮書》對80km傳輸距離的100Gb/s強度調(diào)制光模塊進行了研究，為降低成本拓展應用范圍，業(yè)界開始布局80km以上傳輸距離的100Gb/s強度調(diào)制光模塊和O波段WDM光模塊等技術(shù)研究。G2.1灰光模塊2.1.150Gb/s光模塊前傳用50Gb/s灰光模塊包含50Gb/s雙纖雙向光模塊和50Gb/s單纖雙向(BiDi)光模塊兩類技術(shù)(1)雙纖雙向50Gb/s雙纖雙向光模塊的功能框圖及實現(xiàn)方式如圖2所示。圖250Gb/s雙纖雙向光模塊功能框圖及實現(xiàn)方式4IMT-2020(5G)推進組50Gb/s雙纖雙向光模塊的產(chǎn)業(yè)鏈已初具規(guī)模。光芯片方面，早期采用NRZ碼型的25Gb/s光模塊對DFB激光器芯片的帶寬要求約為17GHz，50Gb/s光模塊采用PAM4碼型，激光器的非線性效應明顯增強，需進一步提高帶寬(約為19GHz)、優(yōu)化帶內(nèi)平坦度來降低非線性效應。目前國內(nèi)外已有多家芯片廠商可進行批量化供應，國外供應商如Lumentum、住友、Macom、三菱等，國內(nèi)供應商如光迅、源杰等。電芯片方面，分為DSP和CDR兩種實現(xiàn)方案，DSP方案的相關(guān)廠商包括Marvell、Credo和橙科，均已發(fā)布應用于5G前傳、集成驅(qū)動器的DSP芯片，CDR方案的相關(guān)廠商包括Semtech、Macom等，其中，Semtech已發(fā)布應用于5G前傳、集成驅(qū)動器的CDR芯片，Macom集成驅(qū)動的CDR產(chǎn)品處于50Gb/s雙纖雙向光模塊在性能、功耗和成本等方面仍面臨較多問題和挑戰(zhàn)。首先，在核心電芯片方案選擇上，DSP方案可通過內(nèi)部算法對光信號傳輸中的非線性問題進行優(yōu)化，處理能力更強、誤碼率與接收靈敏度性能更優(yōu)，但代價是信號傳輸時延大，功耗和成本較高，還需平衡功耗對光模塊溫度的影響，保持光模塊溫度穩(wěn)定是確保前傳鏈路穩(wěn)定可靠的重要訴求。CDR方案具有帶寬高、發(fā)射性能好、信號傳輸時延低等優(yōu)點，功耗和成本較低，但信號處理能力較DSP方案弱，對MPI及鏈路預算提升的應對有待驗證。如果DSP和CDR方案在應用中共存，互連互通是需要解決的重要技術(shù)問題。其次，光芯片在控溫功能使用上業(yè)界仍存在分歧?？販毓δ芸梢允辜す馄髟谡麄€模塊工作溫度范圍內(nèi)處于比較理想的工作狀態(tài)，可有效控制激光器波長、避免極限溫度下激光器帶寬的劣化，但會帶來成本和功耗的增加。不使用控溫功能時光模塊成本和功耗相對較低、工藝更簡單，但對光芯片高頻性能的要求提高，應用效果有待進一步驗證。最后，前傳網(wǎng)絡部署環(huán)境復雜，前傳光纖鏈路存在技術(shù)和工程的不確定性，對50Gb/s光模塊光電參數(shù)將提出更高要求。面向前傳的50Gb/s雙纖雙向光模塊國內(nèi)外標準尚未發(fā)布，光模塊廠商均處于開發(fā)或樣品階段。封裝以SFP56為主，DDM和接口定義參考SFF-8472、SFF-8431協(xié)議；電接口性能參考OIF-CEI-4.0相關(guān)規(guī)定；光接口性能在參考IEEE802.3cd50GBASE-LR基礎(chǔ)上，需根據(jù)應用場景對波長范圍、收發(fā)光功率、靈敏度等指標進行修正。國際光電委員會(IPEC)已立項下一代移動前傳MFH50標準項目，重點對50Gb/s及更高速率的前傳網(wǎng)絡需求及組網(wǎng)方案、光電接口、管理接口、封裝和測試方法等進行研究，目前正在開展50Gb/s雙纖雙向10km距離規(guī)格技術(shù)討論。5IMT-2020(5G)推進組表150Gb/s雙纖雙向光模塊關(guān)鍵參數(shù)指標研究現(xiàn)狀截止2022年底，已有多家光模塊廠商可提供面向前傳的50Gb/s雙纖雙向光模塊樣品(CDR或DSP方案)。華為等系統(tǒng)設備商已開展測試驗證，高低溫測試結(jié)果基本滿足IEEE802.3cd和IPECMFH50標準草案的相關(guān)要求，并于2022年下半年進行了多廠家、多方案互聯(lián)互通測試驗證。面向前傳的50Gb/(2)單纖雙向50Gb/sBiDi光模塊的功能框圖及實現(xiàn)方式如圖3所示。6IMT-2020(5G)推進組Gbs現(xiàn)方式50Gb/sBiDi光模塊仍采用25Gb/sBiDi光模塊1270nm/1330nm波分復用方案，相對于雙纖雙向光模塊具有節(jié)省光纖資源、時延對稱性好等優(yōu)勢，可共用50Gb/s雙纖雙向光模塊產(chǎn)業(yè)鏈。目前，業(yè)內(nèi)光模塊廠商對50Gb/sBiDi光模塊的產(chǎn)品研發(fā)均基于50Gb/s雙纖雙向光模塊方案開展，開發(fā)進度略晚于50Gb/s雙纖雙向光模塊，目前整體處于預研或開發(fā)階段。面向前傳的50Gb/sBiDi光模塊國內(nèi)外標7IMT-2020(5G)推進組表250Gb/sBiDi光模塊關(guān)鍵參數(shù)指標研究現(xiàn)狀面向前傳的50Gb/sBiDi光模塊可復用25Gb/sBiDi光模塊BOSA方案和50Gb/s雙纖雙向光模塊產(chǎn)2.1.2100Gb/s光模塊除50Gb/s速率外，業(yè)界也在考慮100Gb/s等其他速率的下一代5G前傳光模塊，但研究進展相對有限。早期的100Gb/s強度調(diào)制光模塊主要應用在數(shù)據(jù)中心和城域，采用4x25Gb/sNRZ方案，封裝形式為QSFP28，通道數(shù)量較多、工藝相對復雜；隨著PAM4技術(shù)和50GBaud光電芯片器件的逐步成熟，通過單通道實現(xiàn)100Gb/s速率可簡化封裝工藝、降低成本。針對10km傳輸距離，業(yè)界已有的單通道100Gb/sQSFP28LR1光模塊內(nèi)部集成DSP芯片，以帶制冷的氣密封裝為主，通常采用50GBaud的EML激光器和PIN探測器，光迅、旭創(chuàng)、德科立、易飛揚、華工正源等廠商均已推出100Gb/sQSFP28LR1光模塊產(chǎn)品。但整體來看，目前業(yè)界對面向下一代5G前傳的100Gb/s光模塊技術(shù)方案選擇和具體參數(shù)指標8IMT-2020(5G)推進組GGbs2.2彩光模塊在25Gb/sxWDM光模塊的研究基礎(chǔ)上，業(yè)界開始探索更高速率的彩光模塊技術(shù)方案，其中，50Gb/s6波CWDM光模塊的研究進展較快。50Gb/s6波CWDM光模塊的波長方案與25Gb/s6波CWDM光模塊保持一致。在光芯片方面，50Gb/sCWDM光模塊可復用25GBaud的CWDM激光器產(chǎn)業(yè)鏈，但考慮到PAM4調(diào)制碼型的引入，鏈路預算需求增加，對激光器的出光功率提出更高要求，需進一步優(yōu)化激光器的發(fā)光效率和良率。在電芯片方面，50Gb/sCWDM光模塊與50Gb/s灰光模塊類似，存在CDR和DSP兩種實現(xiàn)方案。由于CWDM光模塊的波長跨度較寬，不同波長的色散代價不同，業(yè)界也在探討兩種方案并存的可能性，以實現(xiàn)最優(yōu)的性價比，如色散代價較小的1311nm波長采用CDR方案，色散代價較大的1371nm波長采用DSP方案。產(chǎn)業(yè)鏈方面，采用集成驅(qū)動的CDR或DSP單通道方式，可以簡化硬件設計和降低功耗，電芯片廠商Semtech已經(jīng)量產(chǎn)CDR集成驅(qū)動，以及TIA的套片解決方案。9IMT-2020(5G)推進組目前，50Gb/sCWDM光模塊仍存在色散代價、MPI、功耗和散熱、CDR與DSP互通等技術(shù)問題有待(1)色散代價挑戰(zhàn)：前傳鏈路中的色散來源主要為材料色散和波導色散，并以材料色散為主，G.652光纖的零色散點在1310nm波長附近，前傳典型應用場景(10km)的色散量如表4所示。6波CWDM色散風險最大的波長為1371nm，10km的色散量為36~66.2ps/nm表4前傳典型場景(10km)色散量業(yè)界主流的色散補償方案如表5所示。其中，色散光纖/光柵方案需提前做好前傳鏈路的色散測量，根據(jù)站點定制色散光纖/光柵的長度等參數(shù)，外置于光模塊，工程實施難度較大；DSP補償方案可在電域進行色散補償，但各廠商的補償能力不一致，需通過實測來獲取具體補償能力；50Gb/sCWDM光模塊一般采用DML激光器，若采用外置調(diào)制方案(EML/MZM)，可減少激光器啁啾效應，從而降低色散代價；微環(huán)色散補償方案的補償量達720ps/nm，目前處于研究階段。表5主流色散補償方案通過實際測試，50Gb/sCWDM光模塊在1371nm波長的高溫色散代價約為3dB左右，受50Gb/sCWDM光模塊鏈路預算的約束，裕量不足，DSP補償方案可能更有優(yōu)勢。(2)MPI挑戰(zhàn)：在光纖鏈路中，由于光纖系統(tǒng)的微小折射率變化、連接頭端面臟污或接觸不佳IMT-2020(5G)推進組所產(chǎn)生的離散反射，以及瑞利后向散射等原因，會產(chǎn)生與原始信號不相關(guān)的反射干擾信號，干擾信號與原始信號混合會產(chǎn)生噪聲，導致信噪比劣化，降低系統(tǒng)傳輸性能。將所有反射信號功率之和與原始信號功率的比值定義為多徑干擾(MPI)，MPI強度主要取決于連接頭的反射率和反射點數(shù)量，反射率越大、反射點越多MPI越差。IEEE802.3以太網(wǎng)標準針對MPI風險，建議基于通用鏈路模型仿真將MPI代價折算為鏈路損耗(LinkLoss)，通過FEC提升容限。在5G前傳網(wǎng)絡中，以C-RAN典型場景為例，一般有6個接頭(兩側(cè)ODF架、兩側(cè)合分波器)，若參考以太網(wǎng)標準，需約束每個連接頭回損<-35dB，但部分前傳鏈路存在劣化的連接頭回損約-26dB左右，前傳鏈路存在一定的MPI風險。系統(tǒng)設備商華為與上海交大聯(lián)合構(gòu)建了前傳仿真模型，MPI代價仿真結(jié)果如表6所示，后續(xù)將根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)典型場景調(diào)研進一步校正仿真模型(接頭數(shù)量、接頭反射率典型值、接頭位置等)。(3)功耗挑戰(zhàn)：前傳場景需考慮工業(yè)級溫度(-40℃~+85℃)或擴展商業(yè)級溫度 (-20℃~+85℃)的應用需求，在環(huán)境溫度的約束下，期望50Gb/s灰光和彩光模塊的功耗不大于2W。業(yè)界對基于CDR和DSP方案的50Gb/s灰光模塊、以及基于DSP方案的50Gb/sCWDM彩光模塊進行了功耗測試，其中1371nm光模塊的功耗超過2W，需進一步優(yōu)化DSP芯片以降低功耗。Gbs耗情況IMT-2020(5G)推進組綜上，50Gb/sCWDM光模塊在10km及以上傳輸距離的應用場景，需充分考慮功率預算分配問題，50Gb/sPAM4信號的接收靈敏度相比于25Gb/sNRZ信號要求提高，需要在發(fā)射光功率、接收靈敏度和色散代價等因素之間進行權(quán)衡。DM截止2022年年底，主流光模塊廠商已提供多種方案的50Gb/sCWDM光模塊α樣品，在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)設備商華為開展了全溫范圍的基本功能、收發(fā)性能，色散代價測試，以及多廠家、多方案互聯(lián)互通測試，驗證結(jié)果較為良好，后續(xù)計劃在2023年繼續(xù)針對優(yōu)化后的產(chǎn)品開展進一步測試，測試結(jié)果將作為IPECMFH標準制定的參考。50Gb/sCWDM光模塊預計2023年下半年可以成熟。2.3管理接口研究隨著新速率的引入，下一代5G前傳光模塊管理接口的選擇和定義需要從光模塊潛在的新問題和需要支持的新需求出發(fā)，以50Gb/s光模塊為例，業(yè)界正在討論如下問題及需求：(1)支持速率集上報功能前傳光模塊需支持不同的速率，如25Gb/s光模塊需支持eCPRI協(xié)議的25.7Gb/s、10.3Gb/s，以及CPRI協(xié)議的24.3Gb/s、10.1Gb/s和9.8Gb/s，因此主設備要求光模塊具有上報速率集的功能，從SFF-8472協(xié)議簇提供了應用選擇列表(ApplicationSelectTable)功能，每種應用都可以分配唯一的“應用編碼”，包含協(xié)議名稱、工作速率、調(diào)制碼型(NRZ或PAM4)等信息。50Gb/s光模塊可IMT-2020(5G)推進組Gbs支持的應用選擇列表編碼(2)切換時下發(fā)精確速率25Gb/s和10Gb/s光模塊均采用NRZ調(diào)制碼型，速率切換時只需切換電接口SerDes速率或光接口工作速率即可，光模塊可在較短時間內(nèi)完成鎖定并工作在新的速率。50Gb/s光模塊引入了PAM4調(diào)制碼型和新的CDR或DSP技術(shù)，電信號和光信號均有3個判決電平，這些判斷電平需通過“訓練和學習”才能獲取。CDR或DSP芯片在切換速率時需要獲取精確的工作速率和碼型，才能更快實現(xiàn)“訓練和學習”。結(jié)合前文提到的光模塊速率集上報功能，主設備在切換速率時通過對光模塊下發(fā)“應用代碼”(3)上報切換建立時間進行速率切換時，主設備向光模塊下發(fā)速率切換命令后，以“光模塊輸入信號滿足協(xié)議要求的信號質(zhì)量”為開始，以“光模塊通道鎖定并輸出相應信號”為結(jié)束，這段時間稱為切換建立時間，又分s10Gb/s和25Gb/s光模塊均基于NRZ碼型，只需“訓練或?qū)W習”1個門限值，速率切換建立時間較短(一般為1ms以內(nèi)量級)，切換可靠性高，主設備一般忽略該時間。切換建立時間的長度與目標速率的碼型密切相關(guān)，當目標速率和碼型為50Gb/sPAM4時，CDR或DSP需“訓練或?qū)W習”3個門限值，切換建立時間可達秒級甚至十幾秒量級，且存在切換不成功的可能，所以光模塊須主動上報“最大切50Gb/s光模塊可通過管理接口提供多個8bit寄存器來宣稱速率切換建立時間，以100ms為單位，一個8bit寄存器可支持最大255×100ms=25s的數(shù)據(jù)信息。IPECMFH50定義的建立時間寄存器模板如表9所IMT-2020(5G)推進組模板“切換成功標志”可幫助主設備獲取光模塊的切換狀態(tài)，需區(qū)分“Egress通道”和“Ingress通道”兩個標志，當主設備查詢到光模塊已經(jīng)切換成功時，可進行CPRI或eCPRI等協(xié)議層的協(xié)商。(4)上報傳輸時延光模塊在光電轉(zhuǎn)換時會引入傳輸時延，該時延與光模塊采用的電芯片方案、調(diào)制碼型、以及PCB走線等因素相關(guān)。10Gb/s和25Gb/s光模塊傳輸時延通常在百ps量級，對前傳鏈路的影響較??；但基于DSP方案的50Gb/s光模塊所引入的傳輸時延達到幾十ns，存在影響前傳同步傳輸系統(tǒng)的可能性，所以析判斷。(5)上報新型功能支持情況相比于CDR方案，基于DSP方案的50Gb/s光模塊可提供環(huán)回、信噪比檢測、誤碼率檢測等新功能，可在光模塊管理接口中說明其支持哪些新的特性及功能，同時管理接口可提供寄存器獲取檢測綜上，為解決和滿足以上問題及需求，下一代5G前傳光模塊需要新型管理接口。目前，業(yè)界主流的管理接口協(xié)議包括SFF-8472、OIFCMIS等，表10為SFF-8472和CMIS協(xié)議的部分內(nèi)容對比。CMIS協(xié)議是QSFP-DD光模塊的標準協(xié)議，適用于多通道，經(jīng)過裁剪可用于單通道前傳光模塊，由于CMIS協(xié)議棧較新，上述新特性在協(xié)議棧中均有定義，在功能細分上更全面。SFF-8472協(xié)議在10Gb/s和25Gb/s光模塊中廣泛使用，優(yōu)勢是主設備的大量代碼可以繼承，光模塊內(nèi)部的MCU可選擇低成本器件。從目前業(yè)界研究情況來看，考慮到前傳光模塊軟件切換成本和硬件成本等因素，繼續(xù)延用SFF-IMT-2020(5G)推進組SFFCMIS比較IMT-2020(5G)推進組G究3.150Gb/s波長自調(diào)諧單纖雙向光模塊傳統(tǒng)單纖雙向光模塊的上下行波長為固定值，IEEE802.3cp、CCSA已分別發(fā)布國際和行業(yè)標準，上下行波長建議如表11所示。傳統(tǒng)50Gb/s單纖雙向光模塊由于兩端波長不一致、須配對使用，在實際使用過程中潛在AB端插錯、配對異常等情況，對物料資源和維護管理提出更多挑戰(zhàn)。表1150Gb/sBiDi光模塊波長建議部分廠商提出50Gb/s波長自調(diào)諧BiDi光模塊新型方案，可打破傳統(tǒng)BiDi光模塊“上下行”波長的約束限制，原理示意圖如圖6所示。電接口方案與傳統(tǒng)50Gb/sBiDi光模塊相同，支持2x25Gb/sNRZ和1x50Gb/sPAM4兩種類型，DSP、Driver、TIA等核心電芯片也與傳統(tǒng)50Gb/sBiDi光模塊相同。模塊光路中包含激光器和光濾波器，激光器的輸出波長需要與濾波器的通帶/阻帶波長相匹配，因而激光器需采用波長可調(diào)諧激光器或通過TEC溫控實現(xiàn)激光器波長的調(diào)節(jié)變化。同時，可通過可調(diào)光濾波器和監(jiān)控回路進行波長監(jiān)控，整個系統(tǒng)通過軟件握手進行自適應匹配，實現(xiàn)光模塊兩端數(shù)據(jù)信號的IMT-2020(5G)推進組BiDi模塊原理示意圖激光器和光濾波器的波長可調(diào)諧技術(shù)是該方案的主要難點和挑戰(zhàn)。在激光器方面，通過TEC溫控實現(xiàn)激光器波長可諧調(diào)是成本最優(yōu)的解決方案，缺點是波長調(diào)諧范圍有限。TEC溫控一般在10~20℃范圍內(nèi)，對應激光器波長可調(diào)諧范圍限制在±1nm以內(nèi)，光模塊的發(fā)射波長通道間隔需設置為1nm左右，對TEC溫度控制精度和激光器譜寬提出更高要求。DFB或FP激光器由于譜寬過大無法滿足，需采用典型譜寬小于0.2nm的EML激光器。此外，從色散容忍能力角度來分析，單纖單向光模塊的波長范圍更窄，有利于更長距離傳輸和波分復用擴容。在光濾波器方面，同樣優(yōu)選通過熱調(diào)方式來實現(xiàn)波長可調(diào)。技術(shù)指標方面，50Gb/s波長自調(diào)諧BiDi光模塊的鏈路預算可與傳統(tǒng)50Gb/s光模塊保持一致，0~70℃全溫條件下功耗小于3.5W，波長在1308nm/1309nm間可自由切換，波長切換穩(wěn)定及兩端業(yè)務建立典型時間小于10s。2021年底，CCSA已討論該技術(shù)方案的行標立項計劃，初步估計2023年下半年行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈方面，50Gb/s波長自調(diào)諧BiDi模塊與傳統(tǒng)50Gb/sBiDi光模塊相比，新增了波長可調(diào)諧激光器、波長可調(diào)諧光濾波器和軟件自適應匹配等內(nèi)容。如上文分析，激光器波長可調(diào)諧可通過TEC溫控來內(nèi)容。當前，行業(yè)對波長可調(diào)諧濾波器的解決方案有Etalon(標準具)+控溫、可調(diào)PLC等方式，關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)包括FSR、帶寬、隔離度等，可依據(jù)該器件在光模塊中的關(guān)鍵指標(波長調(diào)節(jié)范圍、靈敏度、藝實現(xiàn)技術(shù)分析，產(chǎn)業(yè)鏈成熟度有待進一步提升。IMT-2020(5G)推進組表1250Gb/s波長自調(diào)諧BiDi模塊芯片器件產(chǎn)業(yè)鏈情況Gb/s單纖雙向光模塊50Gb/sBiDi光模塊已在5G中回傳接入層規(guī)模應用，100Gb/sBiDi光模塊在下一代5G前傳、中回傳接入及匯聚層、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)等領(lǐng)域均潛在應用場景。100Gb/sBiDi光模塊基于單波100Gb/sPAM4調(diào)制碼型，相比傳統(tǒng)4通道100Gb/s光模塊器件數(shù)量更少、功耗更低，且具有更低故障率和更高可靠性；100Gb/sBiDi光模塊相比50Gb/sBiDi光模塊，兩者均基于DSP方案，但前者具有更優(yōu)的比100Gb/sBiDi光模塊的技術(shù)方案如表13所示。Di100Gb/sBiDi光模塊主要采用QSFP28封裝和單路LC光接口，可與單波100Gb/sQSFP28雙纖雙向光模塊共用產(chǎn)業(yè)鏈、以及生產(chǎn)制造和測試驗證平臺。100Gb/sBiDi光模塊的功能框圖如圖7所示，在發(fā)射方向，系統(tǒng)設備輸入4路25Gb/sNRZ碼型電接口信號，經(jīng)過DSP處理后轉(zhuǎn)換為單路100Gb/sIMT-2020(5G)推進組PAM4電信號，輸入至BOSA并驅(qū)動EML激光器發(fā)射單路100Gb/sPAM4光信號。在接收方向，單路光信號經(jīng)過BOSA后轉(zhuǎn)換為100Gb/sPAM4電信號，再由DSP進行信號處理轉(zhuǎn)化為4路25Gb/sNRZ電信GbsBiDiBOSA案從傳輸距離來看，10km100Gb/sBiDi光模塊的技術(shù)指標對可選方案而言壓力較小，鏈路預算容易實現(xiàn)，器件封裝以BOX為主，TO封裝工藝尚未成熟、無法實現(xiàn)批量生產(chǎn)。30km/40km100Gb/sBiDi光模塊對發(fā)射端OMA和接收端靈敏度要求較高，基于目前器件水平實現(xiàn)難度較大、需進一步攻克關(guān)鍵技術(shù)，如發(fā)射端需優(yōu)化工藝，提升功率耦合效率；接收端需增大靈敏度裕量，降低批量生產(chǎn)中良率等挑戰(zhàn)。100Gb/sBiDi光模塊的波長選擇由于技術(shù)指標和色散等限制，目前業(yè)界尚未達成共識，激國際標準化方面，IEEE802.3、OIF已對100Gb/s灰光模塊的高速電接口進行了相關(guān)規(guī)范；光接口方面，IEEE802.3、100GLambdaMSA已陸續(xù)發(fā)布100Gb/s10km/20km/30km/40km雙纖雙向光模塊標準，對鏈路預算、光功率、消光比、靈敏度等關(guān)鍵指標進行了規(guī)范，100Gb/sBiDi光模塊可進行參考。IPEC于2022年4月立項了100Gb/sBiDi30km/40km標準項目，IEEE802.3已于2022年立項超50Gb/sBiDi標準項目。國內(nèi)標準化方面，已發(fā)布適用于DR1(500m)、FR1(2km)、LR1(10km)、ER1-30(30km)以及ER1-40(40km)傳輸距離的雙纖雙向“YD/T4022-2022100Gb/s單波長光收發(fā)合一模塊”通信行業(yè)標準；并基本完成“單纖雙向光收發(fā)合一模塊第4部分：100Gb/s”行業(yè)標準的制定，包含8波長4×25Gb/sLWDMNRZ和單波長100Gb/sPAM410km技術(shù)方案(采用1271nm/1331nm工作波長)，預計2023年發(fā)布。IMT-2020(5G)推進組Gbskm國內(nèi)外標準化進展100Gb/sBiDi光模塊在測試驗證方面存在以下難點：由于BiDi光模塊的發(fā)射波長不同，需分別對每個波長的發(fā)射端進行測試，包括中心波長、平均輸出光功率、消光比、TDECQ、OMAouter、過沖/下沖、最大轉(zhuǎn)換時間等參數(shù)。同時，雙向傳輸鏈路的誤碼率、靈敏度等接收特性也可能存在差異，需分別進行測試。靈敏度存在不同的測試方法，一是參考100GLambdaMSA100G-LR1/ER1規(guī)范，測量鏈路光靈敏度功率與參考發(fā)射機TECQ，按照TECQ值選擇公式進行比對;二是通過校準SECQ參數(shù)后的光壓力信號進行壓力接收靈敏度測試。第一種方式相對簡單，但測試結(jié)果可能受到不同參考發(fā)射機較高。在核心芯片器件方面，100Gb/sBiDi光模塊可共用100Gb/s雙纖雙向光模塊產(chǎn)業(yè)鏈，國內(nèi)外多家廠商已發(fā)布相關(guān)光電芯片，但仍有部分關(guān)鍵技術(shù)需要突破。具體來看，53GBaudEML激光器需具備高帶寬、高消光比和大出光功率特性，若從25GBaudEML激光器中進行篩選良率較低，需要在芯片結(jié)構(gòu)設計、材料摻雜等方面進行新的優(yōu)化，解決保障可靠性的同時提高帶寬的難題，目前已有國內(nèi)廠商啟動設計和投入。53GBaudPIN和APD探測器已實現(xiàn)國產(chǎn)化，且國內(nèi)廠商性能領(lǐng)先。DSP方面國內(nèi)廠商快速發(fā)展，已具備50Gb/s速率樣品，測試表現(xiàn)良好，100/400Gb/s速率正處于研發(fā)階段。未來主要IMT-2020(5G)推進組瓶頸不是產(chǎn)品設計，而是高精度制造工藝，采用將多個分立芯片器件集成化的方案(如DSP集成驅(qū)動等)有助于國內(nèi)廠家采用相同制造工藝、聚焦資源集中突破，實現(xiàn)更快的替代。GbsBiDi況目前，已有多家光模塊廠商具備單波100Gb/sBiDi10km光模塊批量供貨能力，隨著53GBaud器件封裝技術(shù)的日益成熟，光模塊產(chǎn)品良率逐步提升，綜合合分波器與濾波器成本對比、CDR與DSP成本對比、激光器數(shù)量及波長范圍要求、封裝成本和生產(chǎn)良率等因素來考慮，100Gb/sBiDi光模塊的成本預期優(yōu)于100Gb/sLR4方案，10km/20km距離規(guī)格均處于可商用階段。100Gb/sBiDi30km/40km光模塊有多家廠商在研，其中30km光模塊已推出樣品；40km光模塊在研發(fā)中，目前在實驗室環(huán)境下已驗證可實現(xiàn)40km傳輸。DiIMT-2020(5G)推進組未來幾年，隨著高精度同步、節(jié)省光纖資源和降低運營成本等要求的進一步提升，100Gb/sBiDi光模塊需求將日益凸顯。目前，100Gb/sLR4/4WDM-20BiDi光模塊在海外已有少量商用，諾基亞、愛立信、光迅具備量產(chǎn)能力；單波100Gb/sBiDi光模塊的應用在運營商部署和設備商集成的藍圖中也開始占據(jù)重要位置，預計2023年上半年優(yōu)先在匯聚場景實現(xiàn)商用。單波100Gb/sBiDi光模塊如能同時支持以太網(wǎng)和OTN信號，將潛在更大應用空間，但目前業(yè)界尚沒有支持OTN業(yè)務的單波100Gb/sDSP芯片，相關(guān)應用和指標有待進一步研究。Gbs0km以上距離強度調(diào)制光模塊100Gb/s80km以上傳輸距離的強度調(diào)制光模塊存在以下應用場景：(1)點對點應用場景：RAN、PTN、以及OLT上連口接入承載網(wǎng)。如圖8(a)所示，點對點灰光應用場景的傳輸距離通常為40km、80km或120km，其中以40km需求占比最高，80km需求占比其次，120km需求目前雖不明顯，但未來有潛在的可能性，傳統(tǒng)4x25Gb/s的100Gb/s光模塊開始從10km/40km向80km/120km距離邁進。如圖8(b)所示，點對點彩光應用場景適用于光纖資源緊張的情況，通過波分復用技術(shù)提升光纖利(a)灰光(b)彩光圖8點到點應用場景(2)綜合接入層承載環(huán)應用場景綜合接入承載環(huán)主要有兩方面應用需求，一是綜合接入業(yè)務的發(fā)展與新建承載需求，傳輸承載業(yè)務種類覆蓋10Gb/s、25Gb/s到100Gb/s業(yè)務接入，即承載速率提升至100Gb/s；二是現(xiàn)有業(yè)務的在線改造與城市化管道光纖限制，便于基礎(chǔ)利舊改造與對接需求升級，隨即引入波分復用技術(shù)。綜上，低IMT-2020(5G)推進組成本的綜合接入承載環(huán)對100Gb/s強度調(diào)制光模塊的傳輸距離需求延伸至100km~150km，相當于傳輸距離為320km的傳統(tǒng)城域承載環(huán)向200km以下的接入承載環(huán)應用下沉。圖9綜合接入層承載環(huán)應用場景業(yè)界存在兩類100Gb/s80km以上傳輸距離的強度調(diào)制光模塊技術(shù)方案：(1)灰光方案80km以上傳輸距離的灰光方案可延用100Gb/sQSFP28ZR4方案，采用基于LWDM波長的4x25Gb/sNRZ調(diào)制碼型，電接口遵循CAUI-4標準，光接口發(fā)射端采用EML激光器，接收端采用半導體光放大器(SOA)+PIN探測器。收發(fā)光器件均采用BOX氣密封裝，有效保障光模塊的可靠性。為滿足80km以上傳輸距離的鏈路預算，收發(fā)端技術(shù)指標要求更加嚴苛，其中，發(fā)射端需大幅度提升輸出光功率，由于采用EML激光器，且需要4通道均符合要求，良率會受到一定影響。為提升發(fā)光功率，需增加激光器電流，可能導致工作電流進入飽和區(qū)，對激光器芯片發(fā)光效率、器件耦合工藝和模塊發(fā)端參數(shù)調(diào)試等均提出了新的挑戰(zhàn)。同時，接收端靈敏度要求加嚴，需進一步優(yōu)化工藝。此外，電流加大將導致發(fā)熱增加，高溫情況下TEC功耗隨之增大，還需優(yōu)化TEC制冷效率以兼顧光模塊的功耗要求。根據(jù)仿真評估和試驗結(jié)果，該方案在實驗室測試中已滿足100km長距傳輸要求，初步預估鏈路預算如表17所示。在34dB鏈路預算要求下，輸出功率需>4dBm，消光比需>6dB，接收靈敏度需<-30dBm。由于設備散熱設計容限需要足夠裕量，光模塊功耗需控制在6.5W以內(nèi)。IMT-2020(5G)推進組表17鏈路預算評估(2)彩光方案彩光方案又可細分為ColourA和ColourZ兩種2x50Gb/s雙載波DWDMPAM4技術(shù)方案。ColourA方案：光模塊采用硅光器件和PAM4碼型，配合外置EDFA，可實現(xiàn)單個模塊雙載波100Gb/s速率的80km以上傳輸距離，配合兩級EDFA傳輸距離可達150km左右。光模塊采用QSFP28封裝和雙通道CS接口，集成高編碼增益SFEC(糾前BER為4E-3)，TOSA采用制冷型EML，速率為2x27.5GBaud，ROSA采用2x27.5GBaudPIN。該方案的優(yōu)點是低成本；缺點是傳輸系統(tǒng)中需外置EDFA，并根據(jù)距離外置相應的色散補償器件，此外，入纖時波數(shù)與波長選擇及調(diào)節(jié)也需要注意對準，ColorZ方案：與ColorA方案相比，差異在于激光器為DFB，并對光接口進行了波分復用及解復用，濾波器帶寬和色散補償需要特別優(yōu)化，輸出功率、靈敏度和信噪比相比ColorA方案有明顯下降，配合兩級EDFA傳輸距離可達120km左右。(a)ColorA方案IMT-2020(5G)推進組(b)ColorZ方案圖10彩光方案光模塊功能框圖標準化方面，IEEE802.3ct已對基于DP-DQPSK碼型和相干檢測的100GBASE-ZR進行了規(guī)范；CCSA已討論“100Gb/sQSFP28光收發(fā)合一模塊第6部分：4×25Gb/sZR4”行業(yè)標準立項計劃，當采用100Gb/sZR4支持OTN信號傳輸時，ITU-T對OTU4的技術(shù)標準可作為參照。目前國內(nèi)外尚無100Gb/s80km以上距離強度調(diào)制光模塊的相關(guān)標準。產(chǎn)業(yè)鏈方面，基于SOA+PIN方案的80km以上距離灰光模塊，少數(shù)廠家已于2022年Q4實現(xiàn)量產(chǎn)；基于雙載波50Gb/s方案的80km以上距離彩光模塊，少數(shù)廠家已小批量出貨。核心光電芯片方面，SOA+PIN方案可共用100Gb/sZR4產(chǎn)業(yè)鏈，光電芯片可選資源較為豐富，組合方案靈活多樣，具有規(guī)模效應和成本優(yōu)勢，但光電芯片仍以國外供應商為主，國內(nèi)有少數(shù)廠商具備樣品、尚未規(guī)模商用。雙載波50Gb/s方案，C波段DWDM激光器芯片和DSP芯片以國外供應商為主。3.4100Gb/sO波段WDM光模塊100Gb/sO波段波分復用系統(tǒng)以O波段直調(diào)直檢彩光模塊為核心，配合外置波分復用/解復用器和光放大器使用，具有低色散、低功耗、低成本等優(yōu)勢，支持G.652D、G.652B光纖，可滿足5G中回傳接入、匯聚等應用場景的大帶寬傳輸需求，有利于推動波分復用系統(tǒng)進一步下沉，降低設備投資和功為兼容現(xiàn)有網(wǎng)絡設備，光模塊可采用QSFP28封裝，電接口為4x25Gb/sNRZ，光接口有四載波(4x25Gb/s)、雙載波(2x50Gb/s)和單載波(1x100Gb/s)三種方案：IMT-2020(5G)推進組(1)四載波(4x25Gb/s)方案：通過MPO接口與外置波分復用/解復用器和光放大器連接，采用NRZ碼型，可復用25Gb/s光模塊產(chǎn)業(yè)鏈，整套系統(tǒng)的國產(chǎn)化率較高。等效4通道x100Gb/s的實驗結(jié)果如圖11和圖12所示，優(yōu)化后有望實現(xiàn)等效30通道x100Gb/s傳輸帶寬和80km傳輸距離。圖114通道放大器接收端光譜圖圖124通道波分解復用器接收端OSNR(2)雙載波(2x50Gb/s)方案：采用雙通道CS接口與外置波分復用/解復用器和光放大器連接，可實現(xiàn)相對于四載波方案更大的傳輸帶寬。調(diào)制碼型有PAM4和NRZ兩種選擇，PAM4方案可復用50Gb/s光模塊產(chǎn)業(yè)鏈，由于信噪比的限制，目前僅能滿足40km傳輸需求，80km傳輸技術(shù)方案有待進一步驗證；NRZ方案具有信噪比優(yōu)勢，更容易滿足80km傳輸需求，但現(xiàn)有56GBaud電芯片如何實現(xiàn)2x25Gb/sNRZ到1x50Gb/sNRZ編解碼處理有待研究，需要電芯片廠商進一步協(xié)同推進。部分實驗IMT-2020(5G)推進組Z(3)單載波(1x100Gb/s)方案：可實現(xiàn)較高的傳輸帶寬，調(diào)制碼型同樣有PAM4和NRZ兩種選擇。PAM4方案目前僅能滿足40km傳輸需求，可復用56GBaud電芯片產(chǎn)業(yè)鏈，80km技術(shù)方案需進一步研究；NRZ方案更有望滿足80km傳輸需求，但112GBaud電芯片實現(xiàn)4x25Gb/sNRZ到1x100Gb/sNRZ編解碼的處理方案需產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同推進。光芯片方面，四載波方案技術(shù)最成熟，產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化率較高。雙載波及單載波方案需采用基于磷化銦材料的波分復用高功率直流光源和鈮酸鋰薄膜調(diào)制器。密集波分復用直流高功率光源兼具高穩(wěn)定、高輸出和高波長精度特點，薄膜鈮酸鋰調(diào)制器具有高帶寬、低損耗、高消光比、低啁啾特性，所以InPWDMCWLD+TFLNMZ方案，同時兼具高入纖功率、高帶寬、低色散代價、高消光比優(yōu)勢。采用TFLNMZ的TOSA結(jié)構(gòu)以及雙載波方案原理分別如圖14和圖15所示。IMT-2020(5G)推進組以上三種方案均可實現(xiàn)波長可調(diào)諧，減少光模塊種類，有利于工程應用的簡化。產(chǎn)品研發(fā)方面，四載波方案2022年Q4已推出樣品；雙載波方案正在研發(fā)中，預計2023年Q3前可推出樣品；單載波方案正在預研階段。標準化方面，目前暫無相關(guān)國際和行業(yè)標準，但在中國通信標準化協(xié)會(CCSATC6WG4)和NGOF(CCSATC618)相關(guān)工作組中，O波段光模塊相關(guān)的研究項目正在進行，標準3.5抗反射技術(shù)研究抗反射技術(shù)是高性能和高可靠性鏈路需考慮的重要因素之一。PAM4調(diào)制碼型具有4個電平，當其光調(diào)制幅度與NRZ碼型的光調(diào)制幅度一致時，其最小信號1電平約為NRZ碼型1電平的1/3。當PAM4碼型的噪聲與NRZ碼型噪聲一致時，PAM4信號的信噪比相對NRZ信號要差5dB左右。因此，PAM4相比NRZ對MPI的容忍度更低，降