2019年1月，IMT-2020(5G)推进组发布“5G承载光模块白皮书(最终稿)”，白皮书基于5G承载网络对光模块的应用需求，结合光模块技术发展现状，聚焦研究不同应用场景下的关键5G承载光模块技术方案，分析现有光模块及核心光电子芯片产业化能力并开展测试评估，提出我国5G承载光模块技术与产业发展建议。
业界应进一步合力优化和收敛关键技术方案，加速推动5G承载光模块逐步成熟并规模应用，有力支撑5G商用部署与应用。本篇报道将介绍“5G承载光模块白皮书”对前传关键光模块技术方案的分析。
前传关键光模块技术方案 — 关键词：灰光、彩光、双纤双向、单纤双向、25G、可调谐（Tunable）
25Gb/s双纤双向灰光模块
25Gb/s双纤双向灰光模块的典型传输距离包括300m和10km。300m光模块通常用于基站的塔上塔下互连，10km光模块主要用于传输距离更远或链路损耗更大的AAU与接入机房(站点)之间的光纤直连场景。
25Gb/s双纤双向灰光模块功能框图及产品示例如图3所示。IEEE 802.3cc已完成25GbE单模光纤接口规范，CCSA已启动国内行业标准化制定工作，预计2019年完成报批。
图3 | 25Gb/s双纤双向灰光模块
光模块可采用25G和10G两种波特率的激光器芯片来实现。25G波特率工业级激光器芯片可靠性要求与量产工艺要求较高，市场供应渠道有限。10G波特率工业级激光器芯片能充分利用成熟的供应链，可有效降低光模块成本，目前业界主要有超频、PAM4高阶调制两种实现方案，功能框图分别如图4和图5所示。
超频方案包含FP和DFB两种实现方式。FP激光器方式中，影响传输距离的主要因素包括链路衰减损耗、码间干扰(ISI)代价、模式分配噪声(MPN)代价等，理论上可支持300m以上的传输距离。DFB激光器方式中，由于中心波长更靠近G.652光纤零色散点、光谱宽度更窄、以及可忽略模式分配噪声等，理论上可支持10km以上的传输距离。目前基于FP激光器的25Gb/s双纤双向300m光模块已经成熟，基于DFB激光器的25Gb/s双纤双向10km光模块还需进一步完善。PAM4方案采用10G波特率的工业级激光器与光探测器，但在配套IC方面需要更换为线性度更高的激光器驱动和TIA芯片，同时增加25Gb/s NRZ和25Gb/s PAM4相互转换的DSP芯片。目前已实现10~15km演示试验，配套芯片仍处于研发阶段，综合成本有待进一步评估。综上分析，采用10G波特率工业级激光器芯片的25Gb/s光模块，300m规格可优先采用超频方案，10km规格超频方案存在一定技术挑战;PAM4方案在10km及更长传输距离的应用取决于配套芯片的规模效应。
25Gb/s单纤双向灰光模块
BiDi光模块具有节省50%的光纤资源、上下行等距可有效保证高精度时间同步等优势，具体时延对称性优势分析详见本白皮书第四部分，典型传输距离10km、15km、20km。25G BiDi的技术方案主要有两种，一是利用不同波长的波分复用(WDM)实现，二是利用相同(或不同)波长结合环形器的方式实现，如图6所示。
图6 | 25Gb/s单纤双向灰光模块
环形器方案对公共端(图6b中的两端)反射串扰非常敏感，出纤需要采用具有高回损指标的光纤倾斜端面接口，并对实际工程使用提出了较高的防尘要求，25Gb/s BiDi光模块建议优先考虑WDM方案。在波长对选择上业界主要有 1270nm/1310nm和1270nm/1330nm两种方案，CCSA 25Gb/s BiDi光模块标准征求意见稿已初步确定1270nm/1330nm波长方案，预计在2019年完成标准制定工作。
25Gb/s可调谐彩光模块
在5G网络建设初期，前传将以光纤直驱方式为主，伴随着高频组网以及低频增点等深度覆盖，为充分利用已有光纤资源或解决光纤资源紧张问题，WDM方式会成为有益补充，其中波长可调谐(Tunable)光模块是其核心单元。我国牵头起草发布的ITU-T G.698.4标准(G.Metro)已定义10Gb/s接入型WDM组网和波长无关、无色化实现机制，目前业界正在探讨25Gb/s速率的技术方案。25Gb/s波长可调谐光模块功能框图如图7所示。
图7 | 25Gb/s波长可调谐彩光模块
根据光源类型及调谐方式的不同，波长可调谐激光器存在多种技术方案，五种最典型的方案对比如表4所示。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、调制速率高和成本相对较低等优势，是业界主流技术方案，受专利等限制，国内量产能力有限。目前国内基本具备DBR可调激光器的产业化能力，波长调谐范围支持10nm量级，一般可满足20通道@100GHz波长间隔的应用场景。另外，外腔激光器、微机电系统(MEMS) VCSEL、DFB阵列等方案因成本、稳定性、工作带宽和调谐时间等限制尚在进一步研究中，尚不具备规模产业化能力。
100/200Gb/s单纤双向灰光模块
100/200Gb/s BiDi 10km光模块的技术方案正处于研究阶段，典型实现方式包括环形器和WDM两种，功能框图如图8所示。
图8 | 100Gb/s BiDi灰光模块功能框图
100/200Gb/s BiDi光模块的核心激光器芯片主要由国外厂商提供，目前可支持O波段CWDM(4波)或LWDM(4波)两种，波长数量有限。现阶段单纤双向技术的实现方案建议优先采用小型化环形器(图8 a所示)。后续随着PAM4技术进一步成熟，2×50Gb/s或1×100Gb/s或将成为下一代100Gb/s光模块的主流技术方案，采用WDM实现单纤双向将是更经济的方式(图8 b所示)。
来源：
讯石光通讯网 
