5G承載光模塊白皮書(shū)終稿

1、5G承IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)目錄TOC o 1-5 h z引言P15G承載光模塊應(yīng)用場(chǎng)景及發(fā)展現(xiàn)狀P2前傳關(guān)鍵光模塊技術(shù)方案P7中回傳關(guān)鍵光模塊技術(shù)方案p125G承載光模塊產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析P15總結(jié)與展望p21主要貢獻(xiàn)單位P22IMT-2020(5G)推進(jìn)組于2013年2月由中國(guó)工業(yè)和信息化部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部聯(lián)合推動(dòng)成立，組織架構(gòu)基于原IMT-Advanced推進(jìn)組，成員包括中國(guó)主要的運(yùn)營(yíng)商、制造商、高校和研究機(jī)構(gòu)。推進(jìn)組是聚合中國(guó)產(chǎn)學(xué)研用力量、推動(dòng)中國(guó)第五代移動(dòng)通信技術(shù)研究和開(kāi)展國(guó)際交流與合作的主要平臺(tái)。IM

2、T2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) # 引言IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) # #IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) # #第五代移動(dòng)通信（5G）技術(shù)即將邁入商用化進(jìn)程，其新型業(yè)務(wù)特性和更高指標(biāo)要求對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及各層技術(shù)方案均提出了新的挑戰(zhàn)。光模塊是5G網(wǎng)絡(luò)物理層的基礎(chǔ)構(gòu)成單元，廣泛應(yīng)用于無(wú)線及傳輸設(shè)備，其成本在系統(tǒng)設(shè)備中的占比不斷增高，部分設(shè)備中甚至超過(guò)5070%,是5G低成本、廣覆蓋的關(guān)鍵要素。根據(jù)IMT-2020（

3、5G）推進(jìn)組5G承載工作組2018年9月發(fā)布的5G承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)方案白皮書(shū)，5G前傳、中回傳對(duì)光模塊提出了差異化要求，更高速率、更長(zhǎng)距離、更寬溫度范圍和更低成本的新型光模塊需求迫切。業(yè)界針對(duì)適用于5G承載不同應(yīng)用場(chǎng)景的光模塊技術(shù)方案已展開(kāi)廣泛研究，目前出現(xiàn)多種解決方案，種類紛繁復(fù)雜，需要業(yè)界推動(dòng)進(jìn)一步收斂聚焦。本白皮書(shū)基于5G承載網(wǎng)絡(luò)對(duì)光模塊的應(yīng)用需求，結(jié)合光模塊技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，聚焦研究不同應(yīng)用場(chǎng)景下的關(guān)鍵5G承載光模塊技術(shù)方案，分析現(xiàn)有光模塊及核心光電子芯片產(chǎn)業(yè)化能力并開(kāi)展測(cè)試評(píng)估，提出我國(guó)5G承載光模塊技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議。后續(xù)業(yè)界應(yīng)進(jìn)一步合力優(yōu)化和收斂關(guān)鍵技術(shù)方案，加速推動(dòng)5G承載光模塊

4、逐步成熟并規(guī)模應(yīng)用，有力支撐5G商用部署與應(yīng)用。IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)5G承載光模塊應(yīng)用場(chǎng)景及發(fā)展現(xiàn)狀1光模塊功能及分類概述IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)光模塊通常由光發(fā)射組件（含激光器）、光接收組件（含光探測(cè)器）、驅(qū)動(dòng)電路和光、電接口等組成，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。光模塊用于實(shí)現(xiàn)電光和光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。在發(fā)送端，一定速率的電信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片處理后驅(qū)動(dòng)激光器（LD）發(fā)射出相應(yīng)速率的調(diào)制光信號(hào)，通過(guò)光功率自動(dòng)控制電路，輸出功率穩(wěn)定的光信號(hào)。在接收端，一定速率的光信號(hào)輸入模塊

5、后由光探測(cè)器（PD）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)前置放大器后輸出相應(yīng)速率的電信號(hào)。IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)激光器芯片（LDChip）IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)光模塊圖1光模塊結(jié)構(gòu)示意圖（SFP+封裝）Jr7-L.-r：-!D:光發(fā)(TOSA)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT

6、2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)光模塊有多種分類方式，典型如依據(jù)封裝方式、速率、傳輸距離、調(diào)制格式、是否支持波分復(fù)用（WDM）應(yīng)用、光接口工作模式、工作溫度范圍等進(jìn)行分類。按封裝方式分類有SFP+、SFP28、QSFP28、CFP2、QSFP-DD、OSFP等；按速率分類有10Gb/s、25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s、400Gb/s等；按傳輸距離分類有100m、10km、20km、40km、80km及以上等；按調(diào)制格式分類有NRZ、PAM4、DP-QPSK/n-QAM等；按是否支持波分復(fù)用（WDM）應(yīng)用分類有灰光模塊（不支持WDM）和彩光模塊（支持WDM）；按光接25G承載

7、光模塊應(yīng)用場(chǎng)景5G承載網(wǎng)絡(luò)一般分為城域接入層、城域匯聚層、城域核心層/省內(nèi)干線，實(shí)現(xiàn)5G業(yè)務(wù)的前傳和中回傳功能，其中各層設(shè)備之間主要依賴光口工作模式分類有雙纖雙向（Duplex）、單纖雙向（BiDi）；按工作溫度范圍分類有商業(yè)級(jí)（070C）、工業(yè)級(jí)（-4085C）等。光模塊內(nèi)部的激光器可分為垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）、法布里-珀羅激光器（FP）、分布式反饋激光器（DFB）、電吸收調(diào)制激光器（EML）等；光探測(cè)器可分為PIN結(jié)二極管（PIN）、雪崩光電二極管（APD）等。不同類型的激光器和光探測(cè)器在性能和成本等方面存在差異，光模塊可根據(jù)具體規(guī)格要求選擇不同的芯片方案。模塊實(shí)現(xiàn)互連，其典型應(yīng)

8、用場(chǎng)景及需求分析如表1所示。IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)表15G承載光模塊應(yīng)用場(chǎng)景及需求分析網(wǎng)絡(luò)分層城域接入層5G前傳5G中回彳傳輸距離10/20kmecq）1探m問(wèn)題。（OMA）、消光比（光調(diào)制幅度PAM4信號(hào)發(fā)送色散眼閉合度（TI口口口送功率偏高、OMA值偏高和儀表兼容性等靈敏度、電差分眼圖幅度、上升下降時(shí)間、共45010kmGb/sPAM440kmQSFP28光迅、新新易盛IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（

9、5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) #IMT2020(5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) #25Gb/sBiDi10km光模塊有1330nm/1270nm和1310nm/1270nm兩種波長(zhǎng)方案，如圖9所示配置，在儀表開(kāi)啟RS-FEC模式下，1330nm/1270nm相同波長(zhǎng)方案的光模塊實(shí)現(xiàn)10km光纖+911dB衰減的異廠家光模塊互通傳輸；1330nm/1270nm和1310nm/1270nm不同波長(zhǎng)方案的光模塊實(shí)現(xiàn)10km光纖+5.58.5dB衰減的異廠家光模塊互通傳輸。25Gb/s300m光模塊為1310nm波段，在儀表關(guān)閉FEC模式下實(shí)現(xiàn)10km光纖+1015dB衰減的異廠家光模塊互通傳輸。I

10、MT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) # #IMT2020(5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) #IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) # #IMT2020(5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) #25G儀表RS-FEC光模塊AT:1270nmR:1330/1310nmlOkm(O.33dB/IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) # #IMT2020(5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) #IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT20

11、20（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) # #IMT2020(5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) #光模塊A光模塊B圖9儀表環(huán)境光模塊互通測(cè)試25Gb/sBiDi10km25Gb/sBiDi10kmIMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) # #IMT2020(5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) #50Gb/sPAM410km光模塊在儀表開(kāi)啟FEC模式下，同廠家互通或自環(huán)可實(shí)現(xiàn)FEC模式下實(shí)現(xiàn)40km光纖+5dB衰減自環(huán)44小時(shí)長(zhǎng)期無(wú)丟包。IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) # IMT2020(

12、5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) #嚴(yán)灣NTN設(shè)備識(shí)別并關(guān)閉等操作，但在管理信息纖+8dB衰減的傳輸。異廠家光模塊在1+2dB衰減互通測(cè)試中多次出現(xiàn)丟包和IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) # #IMT2020(5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) #題。50Gb/sPAM440km光模塊在儀表開(kāi)啟獲3穩(wěn)定等方面有待進(jìn)一步驗(yàn)證。IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) # #IMT2020(5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) #IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)

13、組5G承載光模塊白皮書(shū) # #IMT2020(5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) #廠家4廠家4IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) # #IMT2020(5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) #IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) # #IMT2020(5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) #IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020(5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) #如圖10所示配置，在設(shè)備環(huán)境關(guān)閉FEC模式下，25Gb/sBiDi

14、10km光模塊（1330nm/1270nm方案）實(shí)現(xiàn)10km光纖+3dB衰減多廠家互通傳輸；25Gb/s300m光模塊實(shí)現(xiàn)300m光纖+3dB衰減多廠家互通傳輸；100Gb/s4WDM10km光模塊實(shí)現(xiàn)10km光纖+3dB衰減異廠家互通傳輸。IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020(5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) #IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020(5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) #25G儀表無(wú)FEC20km光纖也IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白

15、皮書(shū)IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020(5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) #光模塊A25Gb/sBidi20km廠家1光二嘩0；設(shè)備環(huán)境光模塊互通測(cè)試工卞廠L京】=IMT2020(5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū)IMT2020(5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) # IMT2020（5G推進(jìn)組5G承載光模塊白皮書(shū) 綜上，參測(cè)的25/50/100Gb/s光模塊樣品絕大部分滿足已發(fā)布或在研的IEEE802.3和CCSA行標(biāo)相關(guān)要求，個(gè)別存在發(fā)送功率偏高、OMA值偏高、波長(zhǎng)方案不統(tǒng)一和儀表不兼容等問(wèn)題。后續(xù)在異廠家互通、與系統(tǒng)設(shè)備的兼容性方面需要進(jìn)一步測(cè)試驗(yàn)證，以滿足5G承載規(guī)模部

16、署應(yīng)用需求。4低成本光模塊產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議為滿足5G承載光模塊的低成本需求，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展，建議光模塊終端用戶、設(shè)備廠商、模塊廠商、研究機(jī)構(gòu)等業(yè)界各方力量在保證光模塊質(zhì)量的前提下，從指標(biāo)綜合優(yōu)化、規(guī)?；c資源重用、核心器件突破幾個(gè)方面著手改進(jìn)：（1）評(píng)估應(yīng)用場(chǎng)景與傳輸距離實(shí)際需求，綜合優(yōu)化光模塊指標(biāo)要求。一是優(yōu)化前傳光模塊的鏈路預(yù)算，適當(dāng)放寬指標(biāo)可以提升工業(yè)級(jí)激光器的篩選比例；二是一些應(yīng)用場(chǎng)景尤其是城域，可根據(jù)實(shí)際需求放寬系統(tǒng)對(duì)相干光模塊的OSNR指標(biāo)（如12dB），可以支持更多商用DSP芯片，同時(shí)通過(guò)簡(jiǎn)化相干DSP功能與算法，降低芯片研制成本；三是適當(dāng)放寬硅基方案的相干光模塊輸出功率要

17、求，譬如如果輸出光功率放寬至-15dBm水平，則硅光芯片的良率會(huì)得到明顯改善。（2）模塊方案盡可能聚焦，并充分利用成熟技術(shù)方案與產(chǎn)業(yè)資源。一是前傳光模塊聚焦于25Gb/sDuplex300m，25Gb/sBiDi10/15km等；二是中回傳光模塊采用數(shù)據(jù)中心和傳送網(wǎng)已有光模塊；三是25Gb/sBiDi方案在初期采用10Gb/sBiDi成熟的單纖雙向光組件（BOSA）封裝工藝。（3）進(jìn)一步增強(qiáng)國(guó)內(nèi)對(duì)于核心芯片的自研與量產(chǎn)能力。一是工業(yè)級(jí)溫度范圍的激光器芯片替代商業(yè)級(jí)激光器芯片；二是硅光集成芯片、窄線寬可調(diào)激光器芯片的技術(shù)突破；三是DSP、激光器驅(qū)動(dòng)IC的國(guó)產(chǎn)化等?？偨Y(jié)與展望技術(shù)方面，5G前傳、中

18、回傳對(duì)新型光模塊提出了差異化需求，目前每種應(yīng)用場(chǎng)景均存在多種光模塊技術(shù)方案與規(guī)格。過(guò)多的產(chǎn)品規(guī)格容易導(dǎo)致光模塊市場(chǎng)碎片化，造成上下游研發(fā)、制造與運(yùn)維等諸多資源浪費(fèi)。為培育良性發(fā)展模式，5G承載光模塊技術(shù)方案需進(jìn)一步求同存異、聚焦收斂，通過(guò)對(duì)重點(diǎn)技術(shù)方案的聚力投入和規(guī)模效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)成本降低，并從規(guī)避產(chǎn)業(yè)鏈風(fēng)險(xiǎn)考慮，加大扶持國(guó)內(nèi)廠商可以主導(dǎo)的光模塊技術(shù)產(chǎn)品方向。產(chǎn)業(yè)方面，國(guó)內(nèi)廠商在光模塊層面能夠提供大部分產(chǎn)品，研發(fā)水平緊跟國(guó)外領(lǐng)先企業(yè)，但25G波特率及以上的核心光電芯片尚處于在研、樣品或空白階段，亟待突破。光模塊及芯片的自主創(chuàng)新發(fā)展很難僅靠器件模塊商自身力量實(shí)現(xiàn)，一方面需要下游設(shè)備商的拉動(dòng)牽引，通過(guò)充分合作實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品的迭代驗(yàn)證，從而加速突破可靠性、量產(chǎn)等關(guān)鍵問(wèn)題；同時(shí)產(chǎn)業(yè)生態(tài)需要進(jìn)一步改善，為避免4G時(shí)代光模塊無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)再現(xiàn)，5G時(shí)代可建立完善評(píng)價(jià)機(jī)制，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)良性競(jìng)爭(zhēng)和健康發(fā)展。5G商用近在咫尺，5G承載在為光模塊革新發(fā)展提供契機(jī)的同時(shí)，留給新型光模塊技術(shù)成熟和規(guī)模應(yīng)用的時(shí)間窗口日益縮短。5G承載工作組將與業(yè)界加強(qiáng)合作、聚焦共識(shí)，協(xié)