2019年6月，我國(guó)工業(yè)和信息化部向中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通和中國(guó)廣電4家運(yùn)營(yíng)企業(yè)發(fā)放5G商用牌照，標(biāo)志著我國(guó)5G商用正式啟動(dòng)。2020年3月，5G網(wǎng)絡(luò)被確定為新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重點(diǎn)之一，進(jìn)一步促進(jìn)5G相關(guān)產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展。

5G承載網(wǎng)絡(luò)為5G無(wú)線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)提供基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)連接，光模塊是5G承載網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)構(gòu)成單元，近年來(lái)隨著速率提升，光模塊在系統(tǒng)設(shè)備中的成本占比不斷攀升，已成為5G低成本、廣覆蓋的關(guān)鍵要素之一。相比于4G，5G承載在速率容量、傳輸距離、工作環(huán)境、光纖資源和同步特性等方面都對(duì)光模塊提出了新型差異化要求。

5G承載光模塊典型應(yīng)用場(chǎng)景

5G前傳的典型應(yīng)用場(chǎng)景包括光纖直連、波分復(fù)用和其他有源傳輸技術(shù)。小規(guī)模集中場(chǎng)景可采用光纖直連方案，包括雙纖雙向和單纖雙向，如圖1（a）所示。光纖直連網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)潔、易于維護(hù)、時(shí)延較低但消耗大量光纖資源。密集城區(qū)等中等以上規(guī)模集中場(chǎng)景需引入波分復(fù)用方案來(lái)解決C-RAN（Cloud-Radio Access Network，云無(wú)線接入網(wǎng)）模式下的AAU（Active Antenna Unit，有源天線單元）拉遠(yuǎn)。WDM方案減少光纖占用、容量大但面臨其他問(wèn)題如成本增加、鏈路預(yù)算大等，可細(xì)分為無(wú)源WDM、半有源WDM和有源WDM，如圖1（b）-1（d）所示。

5G部署初期，前傳將以光纖直連和無(wú)源WDM方案為主，后續(xù)隨著網(wǎng)絡(luò)部署規(guī)模逐步擴(kuò)大，尤其是C-RAN小集中和大集中部署模式的規(guī)模應(yīng)用，基于半有源WDM的部署占比將會(huì)顯著提升。

圖1 （a）光纖直連 （b）無(wú)源WDM （c）半有源WDM （d）有源WDM

5G中回傳覆蓋城域接入層、匯聚層與核心層，接入層和匯聚層將主要采用25Gbit/s、50Gbit/s、100Gbit/s等速率的灰光或彩光模塊，核心層將較多采用100Gbit/s、200Gbit/s、400Gbit/s等速率的彩光模塊。

5G承載光模塊三大發(fā)展趨勢(shì)

目前業(yè)界針對(duì)5G承載光模塊提出了多種解決方案，部分方案已逐步成熟并走向規(guī)模應(yīng)用，需要業(yè)界合力推動(dòng)進(jìn)一步收斂聚焦。5G承載光模塊發(fā)展呈現(xiàn)出三大演進(jìn)趨勢(shì)。

一是25G前傳灰光模塊基本成熟，彩光模塊呈現(xiàn)多種WDM方案競(jìng)爭(zhēng)。

5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，在光纖資源充裕的場(chǎng)景中，前傳將以光纖直連方式為主，主要采用25Gbit/s灰光模塊?；镜乃纤禄ミB可采用300m雙纖雙向灰光模塊，用于傳輸距離更遠(yuǎn)或鏈路損耗更大的AAU與接入機(jī)房之間的互連可采用10/15km雙纖雙向或單纖雙向灰光模塊。25Gbit/s雙纖雙向灰光模塊已基本成熟，參考標(biāo)準(zhǔn)包括IEEE802.3-2018和YD/T 3125.2-2019，將優(yōu)先采用超頻方案，PAM4方案取決于配套芯片性能和規(guī)模效應(yīng)。25Gbit/s單纖雙向灰光模塊以波分復(fù)用1270/1330nm方案為主，基于NRZ調(diào)制碼型的光模塊產(chǎn)品在10/15km距離規(guī)格已基本成熟，基于PAM4調(diào)制碼型的光模塊處于少量樣品階段，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T2759.2-2020對(duì)NRZ 10/15km和PAM4 10km距離規(guī)格進(jìn)行了規(guī)范。

前傳彩光模塊考慮到色散問(wèn)題和成本等因素，出現(xiàn)粗波分復(fù)用（CWDM）、中等波分復(fù)用（MWDM）、細(xì)波分復(fù)用（LWDM）和密集波分復(fù)用（DWDM）等多種競(jìng)爭(zhēng)方案，主要占用C波段和O波段。

25Gbit/s CWDM彩光模塊使用ITU-T G.694.2規(guī)范的波長(zhǎng)，從1271nm到1611nm，共18個(gè)波長(zhǎng)，目前從短波長(zhǎng)開(kāi)始前6波（1271nm~1371nm）比較成熟，國(guó)內(nèi)已有規(guī)模應(yīng)用。發(fā)送和接收端采用DML（Directly Modulated Laser，直接調(diào)制激光器）和PIN（Positive Intrinsic Negative，P型-本征型-N型）探測(cè)器方案，其中前4波可共用數(shù)據(jù)中心100GE CWDM4產(chǎn)業(yè)鏈，成本較低。為滿足工業(yè)級(jí)應(yīng)用，AAU側(cè)光模塊需采用帶制冷的DML激光器。中國(guó)信通院已牽頭開(kāi)始25Gbit/s CWDM行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定，ITU-T SG15 Q6也已啟動(dòng)是否基于25Gbit/s 前傳速率修訂G.695 CWDM標(biāo)準(zhǔn)的討論。

25Gbit/s MWDM彩光模塊在CWDM前6波基礎(chǔ)上進(jìn)行左右偏移擴(kuò)展為12波，采用非均勻的波長(zhǎng)間隔。MWDM方案可重用CWDM方案中DML激光器成熟的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及工藝控制技術(shù)，與CWDM共外延工藝和芯片制造產(chǎn)業(yè)鏈。中國(guó)移動(dòng)正在組織產(chǎn)業(yè)鏈上下游進(jìn)行MWDM的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定，同時(shí)在ITU-T和O-RAN中推動(dòng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)，相應(yīng)產(chǎn)品目前處于測(cè)試驗(yàn)證和試商用階段。

25Gbit/s LWDM彩光模塊以IEEE 802.3-2018規(guī)范中400GE LR8的8個(gè)波長(zhǎng)為基礎(chǔ)，按照800GHz通道間隔等距擴(kuò)展的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)12個(gè)波長(zhǎng)。LWDM波長(zhǎng)位于O波段，色散代價(jià)小，可采用DML激光器和PIN探測(cè)器解決10/15km距離傳輸，其中基礎(chǔ)的8個(gè)波長(zhǎng)可重用100GE LR4和400GE LR8產(chǎn)業(yè)鏈。中國(guó)電信正在組織產(chǎn)業(yè)鏈上下游進(jìn)行LWDM的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定和測(cè)試驗(yàn)證，并在ITU-T推動(dòng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)，目前國(guó)內(nèi)已有局部試點(diǎn)應(yīng)用。

根據(jù)ITU-T SG15 2020年9月份全會(huì)最新討論進(jìn)展，預(yù)計(jì)將結(jié)合CWDM/MWDM/LWDM的多重立項(xiàng)需求，將立項(xiàng)面向5G前傳的新標(biāo)準(zhǔn)G.owdm，以便開(kāi)展基于O波段25Gbit/s WDM標(biāo)準(zhǔn)制定，具體參數(shù)細(xì)節(jié)后續(xù)開(kāi)展研究。

25Gbit/s DWDM光模塊基于ITU-T G .698.4標(biāo)準(zhǔn)，采用C波段（1529.55nm~1565.50nm），通道間隔為100GHz時(shí)可支持40個(gè)波長(zhǎng)，大幅提升系統(tǒng)容量、節(jié)約光纖資源，因受色散限制主要采用EML（Electro-absorption modulated laser，電吸收調(diào)制激光器）和APD（Avalanche Photo Diode，雪崩光電二極管）探測(cè)器，成本較高。技術(shù)方案方面，25Gbit/s DWDM光模塊包括波長(zhǎng)可調(diào)諧與固定波長(zhǎng)兩種不同的實(shí)現(xiàn)手段。中國(guó)聯(lián)通正在組織產(chǎn)業(yè)鏈上下游進(jìn)行DWDM的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定，同時(shí)將在已立項(xiàng)的ITU-T G.698.x系列（G.698.1/G.698.2/G.698.4）修訂標(biāo)準(zhǔn)中增加25Gbit/s速率技術(shù)要求。

二是中回傳光模塊平穩(wěn)發(fā)展，近期將以非相干灰光模塊為主。

接入和匯聚層將主要采用25Gbit/s、50Gbit/s和100Gbit/s等速率的灰光模塊。目前，25Gbit/s雙纖雙向40km光模塊產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)成熟，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3-2018和YD/T 3125.2-2019已經(jīng)發(fā)布。50Gbit/s雙纖雙向和單纖雙向光模塊主要采用25GBaud光芯片和PAM4調(diào)制格式，根據(jù)距離可采用DML或EML激光器。50Gbit/s雙纖雙向光模塊有10km和40km兩種距離規(guī)格，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3-2018、IEEE 802.3cn-2019和YD/T 3713-2020已經(jīng)發(fā)布。50Gbit/s單纖雙向光模塊的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)處于在研階段，有10km、20km、40km三種距離規(guī)格，IEEE 802.3cp D2.1對(duì)上下行波長(zhǎng)進(jìn)行了建議；國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)將于2020年下半年征求意見(jiàn)和送審，2021年上半年制定完成。

核心層的典型傳輸距離為40km~80km，核心層將較多采用100Gbit/s、200Gbit/s和400Gbit/s等速率的相干光模塊，隨著硅光和低成本DSP技術(shù)的發(fā)展，低成本相干光模塊被視為新的發(fā)展熱點(diǎn)。

三是光模塊產(chǎn)業(yè)基本準(zhǔn)備就緒，新特性測(cè)試評(píng)估有序進(jìn)行。

為進(jìn)一步評(píng)估5G承載光模塊發(fā)展水平，促進(jìn)5G光模塊產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)方協(xié)同、合作與交流，IMT-2020（5G）推進(jìn)組5G承載工作組已組織完成兩次多廠商多類型5G承載光模塊測(cè)評(píng)工作。相對(duì)于首次測(cè)評(píng)，第二次測(cè)評(píng)在參與廠商數(shù)量、參測(cè)光模塊類型、測(cè)試項(xiàng)目等方面有明顯增加。參測(cè)光模塊樣品整體上滿足已發(fā)布或在研的IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)及草案、CCSA行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及草案、MSA等相關(guān)要求，在光電接口、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、互通能力、設(shè)備和儀表兼容性方面?zhèn)€別模塊仍存在一些尚待完善的問(wèn)題。

5G前傳、中回傳對(duì)新型光模塊提出了差異化需求，5G承載光模塊多樣化技術(shù)方案并存發(fā)展的態(tài)勢(shì)預(yù)計(jì)短期內(nèi)仍將持續(xù)，分支過(guò)多將帶來(lái)重復(fù)開(kāi)發(fā)、資源浪費(fèi)、市場(chǎng)碎片化等問(wèn)題，在一定程度上影響產(chǎn)業(yè)鏈的規(guī)模協(xié)調(diào)發(fā)展。為盡可能降低多樣化方案并行帶來(lái)的潛在影響，建議5G前傳相關(guān)業(yè)界從部署需求、傳輸性能優(yōu)化、低成本建設(shè)及便捷運(yùn)維管理、產(chǎn)業(yè)鏈良性發(fā)展等多方面綜合考慮，從標(biāo)準(zhǔn)層面加強(qiáng)共性技術(shù)協(xié)同推動(dòng)，統(tǒng)一管控模型及操作管理維護(hù)（OAM，Operation Administration and Maintenance）機(jī)制，進(jìn)一步優(yōu)化和完善產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局，使業(yè)界資源得到有序配置，通過(guò)規(guī)模效應(yīng)實(shí)現(xiàn)成本降低。（本文作者均來(lái)自中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所）
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