高級搜索
您當前的位置:首頁 > 技術前沿

5G光模塊關鍵技術分析和展望

時間:2019-05-13 12:45:56

 摘要:

5G時代漸行漸近,終端模組和手機市場已經硝煙四起,國內外5G相關的標準組織和產業都在緊鑼密鼓的布局,搶占市場先機。作為光通信產業鏈的重要一環,光模塊產業也在5G推動下不斷創新,為5G和云網絡提供高帶寬低時延的全面連接

本文主要分析5G光模塊的關鍵技術方案,通過技術和新產品的結合來深入理解5G光模塊產業的新需求,以及相關技術的未來趨勢。

一、5G相對4G的變革

移動通信在從1G發展到5G的過程中,5G使用的頻率提高到Sub6GHz和毫米波范圍,在獲得大帶寬的同時面臨基站覆蓋范圍減小的困境。因此5G相對于4GRANRadio Access Network架構也發生了新變化,5G前傳、中傳和回傳對光接入和承載網絡提出高帶寬低時延的新要求[4]

            光迅圖1.png

             1   5G相對4G網絡重構的變革                     

CPRI(Common Public Radio Interface,通用公共無線電接口)是一個通用的標準,將數字基帶I / Q信號傳輸到傳統BS(基站)中的無線電處理單元,滿足無線前傳對帶寬和時延的嚴格要求。CPRI定義了多種接口速率,目前4G基站前傳主要采用10Gb/s以下的光模塊。高頻段、更寬頻譜和新空口技術使得5G基站帶寬需求大幅提升,新一代標準化的5G前傳接口標準eCPRIenhanced-CPRI采用分組化的以太網接口,可以借助25G及以上的以太網產業鏈,成為5G前傳的主流應用。

光迅圖2.png 

                        2 4G5G無線前傳帶寬評估

5G前傳采用eCPRI接口的基礎上,5G光接入和承載網各節點之間對光模塊的典型需求如下:

前傳:初期10G25G混用,成熟期業界主流采用25G前傳模塊。25G BiDi單纖雙向光模塊能夠有效節省光纖資源并降低部署成本,成為目前各光模塊廠商投入的重點。低成本可調諧25G光模塊也在研發中。

中傳:在對流量進行一定的收斂比情況下,規模采用25G50G的光模塊,后期發展到100G/200G50G及以上多PAM4高階調制技術。

回傳:5G初期可采用100G光模塊,采用PAM4技術的200G/400G光模塊也會逐步應用,未來將向600G/800G演進,部分場景將引入低成本相干技術[2]

                  1  5G承載光模塊應用場景及需求分析

    光迅表1.png                       

二、5G光模塊現狀

      根據IMT-2020(5G)推進組發布的《5G承載光模塊白皮書》的匯總[1],前傳光模塊主要包括25Gb/s100Gb/s兩大速率類型,支持數百20km的典型傳輸距離,具體技術現狀如表所示。

               2  5G前傳光模塊技術現狀    

 光迅表2.png

5G中回傳光模塊主要包括25Gb/s50Gb/s100Gb/s200Gb/s400Gb/s等多種速率,典型傳輸距離從幾km到數百km

 光迅表3.png

3  5G中回傳光模塊技術現狀

三、5G光模塊關鍵技術

   3.1 工溫25G低成本激光器

由于5G無線前傳微基站設備數量眾多并且工作于惡劣的室外環境下,5G前傳光模塊對成本、功耗與寬溫工作都有嚴格的要求。普通商業級光模塊,正常工作溫度為070℃;而工業級光模塊的工作溫度為-40℃~85℃。

要實現工業級光器件,需要從兩個方面突破,首先無制冷25G工業級DFB激光器是核心器件。但掌握此核心激光器量產能力的廠家很少,國內大多依賴進口。其次,需要采取高效的散熱方法把激光器的熱量通過外殼耗散出去。

光迅圖3.png

                  3 工業級光模塊的散熱途徑

常規半導體激光器在沒有溫控措施的高溫環境下,會導致閾值電流指數級增加,發光功率指數級遞減,消光比惡化,同時節溫的急劇增加導致激光器壽命大幅縮短,無法滿足嚴酷的室外環境下的工作要求。雖然通過溫度控制方式可以使常規激光器可能用于室外環境,例如將常規DFB激光器放置在微型TEC制冷器上,制作成制冷激光器組件,但微型TEC的自身成本、封裝和控制電路成本、功耗都顯著增加,無法滿足5G前傳低成本低功耗的根本訴求,因此從激光器光芯片本身進行創新才能滿足5G前傳光模塊的需求。

工業級無制冷25G DFB需要從半導體材料,激光器結構設計方面進行。高溫半導體激光器可以在材料上使用摻入鋁元素的AlInGaAs/AlGaAs,在激光器結構設計上采用多量子阱MQW或量子點QD結構[5]。

 

4  采用AlGaAs和量子點結構的高溫DFB激光器

 

2018年光迅等公司都推出了業內領先的高性價比的25G SFP28 LR工業級產品,功耗小于1W,為5G前傳奠定了基礎。但25G工溫激光器芯片仍然是國內亟待突破并持續投入的關鍵領域。

3.2 100G硅光集成

硅光子(SiP)是基于硅和硅基襯底材料(SiGe/SiSOI ),利用現有 CMOS 工藝進行光器件開發和集成的新一代技術,結合了集成電路技術的超大規模、超高精度制造的特性和光子技術超高速率、超低功耗的優勢。同時,硅光技術可以通過晶圓測試等方法進行批量測試,測試效率顯著提升從而降低成本。

硅光集成目前多應用于短距離多通道的100G或以上速率的高端光模塊,能夠極大降低光器件的封裝體積和功耗。預計到2022年,硅光子光收發器市場將超20億美元,在全球光收發器市場中占比超20%。

光迅圖5.png

            5 硅光子市場增長

近年來IntelLuxteraAcacia、光迅、RockleyMACOM等企業先后推出芯片級、模塊級產品,并逐步實現小批量商用出貨。

 當前硅光工藝能夠加工的芯片級器件主要包括光波導、合分波器件、外調制器件、硅鍺APD接收器等,但不包含激光芯片。主要是因為硅是間接帶隙,空穴復合效率很低,發光效率極低。因此目前硅光方案主流仍是硅基混合集成,激光器仍使用傳統的III-V族材料,采用分立貼裝(光迅、Luxtera)或晶圓鍵合加工(Intel)將III-V族的激光器與硅上集成的調制、耦合光路等加工在一起

  光迅圖6.png

              6 Intel硅光六大關鍵難點

 硅光技術逐步成熟,但從芯片到光模塊,集成和封裝工藝上仍存在較多技術難點,封裝良率和成本仍有待優化,還需要一段時間的積累和發展來提高成熟度和完善批量化工藝。

                         

  光迅圖7.png

7 Intel硅光100G PSM4光模塊     

光迅圖8.png

8 Juniper硅光100G LR4光模塊

近來Intel先后發布了基于50G100G硅光技術的光模塊,大幅簡化了模塊內部的結構和生產工序,工藝成熟后有望顯著的降低成本。OFC2019Juniper也以硅光為切入點發布了100G400G硅光模塊。國內一些設備商和光模塊廠商也在硅光自主開發上有所布局,目前大多處于實驗室階段,與國外還有較大的差距。

3.3 25G/50G BiDi光模塊和DSFP

BiDi光模塊只有一個端口,通過光模塊中的光合波/分波器將兩個不同的波長信號放到同一根光纖上傳送,同時完成一種波長光信號的發射和另一種波長光信號的接收BiDi光模塊的波長都是組合形式的,因此BiDi光模塊必須成對使用它最大的優勢就是節省光纖資源上下行等距可有效保證5G要求的高精度時間同步等優勢。

BiDi光模塊的價格高于傳統雙纖雙向光模塊,但BiDi光模塊所需要的光纖數量卻減少了一半,使用更少的光纖所節約的成本要遠遠超過購買BiDi光模塊增加的花費。

光迅圖9.png 

                     9 25G BiDi工作原理圖

25G BiDi光模塊產品發射端采用非制冷DFB TO形式,中心波長分別為1270nm/1330nm,接收端多采用高靈敏度25G PIN形式,接收波長分別為1330nm/1270nm。產品沿用成熟的光器件同軸封裝工藝平臺,實現單纖雙向的BOSABi-Direction Optical Subassembly)光組件。

BiDi光組件中的光合波分波器有兩種方案,一種是WDM方案,多采用TFF薄膜濾波片,技術成熟,體積小插損小,成本低。第二種是采用兩個微型環形器串聯的方案,環形器方案對公共端反射串擾非常敏感,出纖需要采用具有高回損指標的光纖傾斜端面接口,并對實際工程使用提出了較高的要求,所以25G BiDi光模塊建議優先考慮WDM方案。

25G/50G BiDi的關鍵技術在于解決光/電收發竄擾,25G設計高速封裝和信號完整性,低功耗設計。目前國內多個廠家發布25G/50G BiDi相關產品,正處于小批量樣品階段。

BiDi的基礎上,2018年業界發布了雙小型可插拔多源協議組(Dual Small Form-Factor Pluggable Multi-Source AgreementDSFP MSA)規范,將SFP28模塊密度和總帶寬翻倍,DSFP將可以支持56Gb/s NRZ或者112Gb/s PAM4傳輸,未來還可以支持基于PAM4224Gb/s的傳輸。

 

2018年推出雙10G DSFP+工溫光模產品后,光迅科技也擬在2019年繼續推出業內領先的雙25G DSFP28光模塊,此產品的推出將大大提升前傳解決方案的性價比,更好地促進5G的部署。

光迅圖10.png

           10 DSFP28 BiDi光模塊功能框圖

通信設備采用DSFP模塊后,由于模塊密度翻倍,因此成倍提高了通信設備的端口密度和吞吐量,也相應的提高了設備的性價比,增加了客戶的產品競爭力。3.4 低成本25G可調光模塊技術

根據業界的研究,可調激光器需要能夠提供1620個不同波長才能滿足前傳網絡系統的要求。為了降低波長穩定控制的難度,波長間隔一般在100GHz以上,所以波長可調范圍需要在8nm以上。為了降低傳纖損耗,25G最好工作在O波段,而業界可調激光器大多工作在CL波段,基本只能滿足中短距的需求。

根據光源類型及調諧方式的不同,波長可調諧激光器存在多種技術方案,從成本、性能、功耗和技術成熟度綜合考慮,基于WDM方案的5G前傳網絡主要采用兩種可調激光器:(1)基于取樣光柵分布布拉格反射器(SG-DBR)技術的激光器具有波長可調諧范圍寬、調諧速度快(nsus級)、調制速率高和成本相對較低等優勢,是業界主流技術方案,當目前國內量產能力匱乏。(2)基于溫度調節的DFB波長可調范圍只有4nm左右,單個DFB無法滿足可調范圍需求,只能采用DFB陣列的方式,每個DFB覆蓋4nm范圍,多個DFB并聯且通過選通控制來選擇某個DFB工作,實現需要的特定波長,調諧速度在秒級。

目前批量商用的可調激光器技術大都掌握在國外廠家手中,近年來隨著產業界的并購,少數國內廠家通過收購獲得了常規多段式DBR可調激光器的產業化能力,波長調諧范圍支持10nm量級,一般可滿足20通道@100GHz波長間隔的應用場景。

光迅圖11.png

                     11 主流可調激光器原理

 

在獲得需要的可調波長之后,波長穩定是需要解決的另外一個難題,一般需要通過閉環的監控環路動態的微調波長,從而滿足系統需要的波長穩定度。此外,在波長調節的過程中,還需要設法避免對其他設備的波長造成的干擾,避免對其他波長上業務的影響。G.metro標準通過調頂方式構造一個帶外的控制信令通道,實現遠程的波長調節控制功能。

新一代光傳送網論壇(NGOF)目前正從標準化和企業合作著手,推動低成本25G可調技術的研發和產業化應用,有望突破國外技術壁壘,實現低成本的WDM-PON前傳方案。 

四、總結和展望

5G和數據中心對光通信產業的拉動帶來巨大的市場機會,作為5G的基礎網絡設施,光模塊產業鏈在5G前夕已經投入大量資源,按照《中國光電子器件產業技術發展路線圖》的指引[3],盡快突破25G工溫DFB和低成本封裝的國產批量化生產是非常緊迫的任務。結合50G/100G PAM4和硅光集成技術的多通道100G/200G/400G光模塊會對中傳和回傳帶來深遠的影響,成為當前研究和產業化的重點。在此基礎上,低成本25G可調光模塊將成為5G前傳的有益補充。

在向5G成熟期的發展中,更為高速的50G/100G/200G BiDi也將進入技術規劃,數據中心之間的長距高速互聯將引入低成本的相干技術。技術的創新浪潮最終需要通過市場的檢驗來實現優勝劣汰,新產品的快速迭代也對光模塊廠家的技術、生產、運營能力提出了更高的要求。

20205G的規模商用即將到來,資本和新廠家的不斷涌入也促進技術的不斷創新,從而避免產品的同質化競爭。掌握核心光芯片和封裝技術的企業將獲得更大的競爭力和經濟收益。

 

參考文獻:

[1]IMT-2020(5G)推進組5G承載光模塊白皮書2019.1Page 5

[2]IMT-2020(5G)推進組5G承載網絡架構和技術方案白皮書2018.9Page 6

[3]中國電子元件行業協會,中國光電子器件產業技術發展路線圖(2018-2022年)2017.12Page 19

[4]中國電信,5G時代光傳送網技術白皮書,2017.9Page 5

[5]Emission of InAs quantum dots embedded in InGaAs/InAlGaAs/GaAs quantum wellsR.Cisnero TamayoJournal of LuminescenceVolume 149, May 2014, Pages 1-6



  武漢光迅科技股份有限公司  高建河 郭玲 蔣波 余向紅 張軍 徐紅春
來頂一下
返回首頁
返回首頁
 
推薦資訊
《思想的田野》江蘇篇熱播 | 孟非攜嘉賓團探訪亨通高質量發展
《思想的田野》江蘇篇
亨通光電實力入選《財富》“中國最佳董事會50強”
亨通光電實力入選《財
亨通與您相約 《思想的田野》江蘇篇8月8日登陸江蘇衛視
亨通與您相約 《思想
富通集團與國家開發銀行浙江省分行簽署銀企金融合作協議
富通集團與國家開發銀