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亨通:5G光模块应用及关键光器件讨论

时间:2019-04-26 15:24:06

前言

随着中国经济高速发展,改革开放以来已取得了巨大成就,在其各个行业之中,通信行业更是在发展中取得了令人瞩目的成绩。光模块作为光通信中核心器件之一,在几次大的发展机遇之中,从无到有,逐渐促成了如今规模庞大的产业。

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1 移动通信的演进过程

目前第五代移动通信(5G)技术,标准逐渐完善,即将迈入商用化进程。万物互联物联网、人工智能等诸多概念的实现都将依赖于5G网络发展与完善。承载网络架构及各层技术方案为应对各类新型业务特性和高指标要求,均面临新的挑战。通信方式的变革,使得大规模基础设施的建设势在必行光模作为5G网络物理层的基础构成单元广泛应用于无线及传输设备,其成本在系统设备中的占比甚至超过50~70%,而且还在不断增高。差异化,高速率、长距离、宽温度范围和低成本对5G时代新型光模块技术提出了更高的标准和要求。

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2 中国5G基站年增长量及5G承载网光模块年投资额预测[1]

知名咨询机构LightCounting于2018年10月发布了近年来光模块整体市场规模的统计和预测。从3可以看到,到2023年,光模块市场整体规模将达到120亿美元以上,相比2018年的60亿美元翻了一倍。从测算数据可以看出,5G(无线接入)和数据中心(以太网)这两大重点应用会推动光模块市场迎来更大规模的发展。

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3 近年来及未来几年光模块市场整体规模现状及预测[2]

本文将介绍光模块的基本概念与结构,基于5G承载网络对光模块的应用需求,描述不同应用场景下承载光模块技术方案,核心光电器件的对比,以及通过对行业先进的硅光技术、工温DFB激光器和非制冷EML技术的介绍,探讨光模块未来的发展方向与趋势。

光模块

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4 光收发模块

光模块的主要功能是实现电-光和光-电信号的转换,通常包含光发射组件(含激光器)、光接收组件(含光探测器),跨阻放大器、驱动电路(Laser Driver),光学器件(透镜、MUX或DEMUX)和光、电接口等结构单元,其结构示意图如图4所示

在发送端,控制电路控制电芯片,将特定速率的电信号经驱动芯片处理后驱动激光器发射出相应速率的调制光信号,然后经由透镜等光学器件,输出功率稳定的光信号到光纤。在接收端,一定速率的光信号由光纤输入模块,经过特定光器件,由光探测器(PD)转换为电信号,放大器后输出相应速率的电信号。

光模块的分类方式有多种,分类依据有封装方式、速率、传输距离、调制格式、是否支持波分复用(WDM)应用、光接口工作模式、工作温度范围等多种。例如按封装方式可分为SFP+、 SFP28、QSFP28、CFP2、QSFP-DD、OSFP等;按速率可分为10Gbps、25Gbps、50Gbps、100Gbps、 400Gbps等;按传输距离可分为100m、10km、 20km、40km、80km及以上等;按调制格式可分为NRZ、PAM4、DP-QPSK/n-QAM等;按是否支持波分复用(WDM)分类为灰光模块(不支持WDM)和彩光模块(支持WDM);按光接口工作模式分类有双纤双向(Duplex)、单纤双向(BiDi);按工作温度范围又可分为商业级 0~70℃)、工业级(-40~85℃)等。

光模块内部最核心的电光转换器件为激光器,可分为垂直腔面发射激光器(VCSEL)、法布里-珀罗激光器(FP)、分布式反馈激光器(DFB)、电吸收调制激光器(EML)等;最核心光电转换器件的光探测器可分为PIN 结二极管(PIN)、雪崩光电二极管(APD)等。光模块根据具体规格要求选择不同的芯片方案不同类型的激光器和光探测器在性能和成本等方面存在差异

光模块应用场景

数据中心

基于单通道25Gbps NRZ速率的25G AOC、100G光模块目前占据主要市场份额,2km传输距离的CWDM4是100G模块中最重要的组成部分。单通道50Gbps PAM4速率的解决方案已逐步应用,比如50G PAM4、2200G FR4、400G FR8和LR8等。基于单通道100Gbps PAM4速率的解决方案目前也有多种,比如100G PAM4、400G DR4、FR4和LR4等。相关协议及市场应用,受限于光器件交换芯片的技术成熟度,还处于小批量或者研发阶段。

无线接入网

相比于数据中心,无线接入网对光模块质量和性能的要求差异性较大。由于应用场景经常为恶劣环境,光模块正常工作的温度范围要求就更宽,例如工业级温度要求达到-40℃~+85℃的范围,光模块的制造成本也会相应增加。

5G光模块的主要应用场景[3]

前传(Fronthaul: AAU-DU):传递无线侧网元设备AAU 和DU 间的数据;

中传(Middlehaul: DU-CU):传递无线侧网元设备DU 和CU 间的数据;

回传(Backhaul: CU-核心网):传递无线侧网元设备CU 和核心网元间的数据。

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5 5G光模块的主要应用场景

对于5G网络,基于《5G承载光模块白皮书》和《中国电信5G技术白皮书》的规划,前传:10Gbps前传光模块可用于5G基站建设的初期,业界目前还是倾向于采用25Gbps速率的前传模块。25Gbps BiDi单纤双向光模块在国内产业链已基本做好准备,目前业界正在推动25Gbps Tunable波长可调谐光模块国际和国内标准的制定。对于采用DRAN部署模式的,也可以采用基于FP/DFB激光器的传输距离在300m以内的25Gbps光模块。目前海外市场对25Gbps CWDM、100Gbps 4WDM模块有一定需求。技术难度最大,成本敏感(光纤光缆需求量大,基站数量众多,可调谐激光器、低成本25G光模块等),并且对维护的效率影响大,是前传的主要特点。中传(接入段):基于收敛功能的前提下,5G初期接入段可采用10Gbps或25Gbps速率的光模块,比如采用10G SR(300m、FP激光器、SMF)、10Gbps或25Gbps LR(10km、DFB激光器、SMF)等。回传(核心汇聚层):5G初期核心汇聚层可采用100Gbps速率的光模块,比如采用100Gbps SR4(100m、VCSEL激光器、MMF-MPO)、100Gbps PSM4(500m、DFB激光器、SMF-MPO)或100Gbps CWDM4(2km、DFB激光器、SMF-LC)等。在城域层面,根据需要传输的距离不同,可采用100Gbps ER4、100Gbps PAM4或基于相干技术的100Gbps光模块。

固定接入网[3]

目前国内市场需求集中在10Gbps PON OLT/ONU,以及Combo PON OLT侧的升级,1577nm 10Gbps EML激光器市场需求迅速增长,降成本压力巨大。另外中国联通牵头的基于G.metro技术国际标准的发布(ITU-T G.698.4),也推动了国内WDM-PON技术在5G前传应用的研究,以及相关产品的开发。

硅光[4-5]

随着用户和数据中心之间通过互联网的数据交互持续增长,数据中心内的数据通信量越来越高。现有数据中心的数据交换和互联设备,无论是性能还是成本已经越来越难以应对如此庞大的数据流量增长,急需新的解决方案。

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6 Intel硅光技术[4]

硅光子器件如今已被光通讯行业业界普遍认同为下一代通讯系统和数据互连系统的核心技术器件之一。硅光子芯片技术不同于传统光通讯器件的分离生产、组装式的生产工艺,它利用硅或与硅兼容的其他材料,将光子和电子为载体的信息功能器件,集成到一块硅基衬底上。其核心目的是通过将光电子器件“小型化”、“硅片化”并与纳米电子器件相集成,形成一个完整的具有综合功能的新型大规模光电集成芯片。硅光子器件技术所使用的集成光子芯片的开发、生产与当前主流半导体工业可以有机融合,为光模块产业提供了大带宽、高速率、低成本、低能耗的新型解决方案。与现有的光通信技术相比,硅光子技术在低成本、高集成度、多功能嵌入、高密度互联、低功耗以及高可靠性方面,能够更好的满足当前数据中心提出的新要求。

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7 2016~2025年硅光子收发器市场预测[5]

目前,硅光子市场尚未大规模开启,2016年芯片级市场规模约为3000万美元[5]但未来硅光子市场增长潜力巨大,芯片级市场规模到2025年预计可增长至5.6亿美元,而收发器级市场规模则预计将增长至40亿美元[5]。这意味着硅光子技术市场在整体光收发器市场的占比,将从2016年的个位数,增长至2025年的35%,数据中心之间的通讯应用将占绝大大部分。尽管硅光子技术应用的晶圆数量仅占全球SOI(Silicon-On-Insulator)市场很小的一部分,但是由于SOI晶圆较高的价格,其所带来的市场价值很高。

从产品形态角度预测,需求量最高的是400G产品,200G或将是100G向400G过渡的阶段性产品。下一步的发展重点会是开发基于单波100G400G产品,成本目标低于1美元/千兆(gigabit),功耗低于5mW/Gb [5]

5G光模块核心电-光转换器件,激光器

VCSELDFB、EML 

光模块核心光芯片主要应用于光通信系统的发射端,不同类型的激光器对光芯片可作如下分类:

1)按发光类型,分为面发射与边发射。面发射激光主要为VCSEL(垂直腔面发射激光器);边发射型激光,包括FP( Fabry–Pérot,法布里-珀罗激光器)、DFB(Distributed Feedback Laser, 分布反馈式激光器)及EML(Electro-absorption Modulated Laser,电吸收调制激光器)等。

2)按调制类型,分为直接调制与外调制。其中,DML(Directly Modulated Laser直接调制激光器)由电路直接控制激光的开闭状态,最常见的是DFB激光器调制类型由外电路控制来实现激光的开闭状态,较为常见的是DFB激光器电吸收调制器EAM组成的EML。

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8 激光器主要分类方式

传统的FP激光器芯片由于损耗大,传输距离短的缺点,其在光通信领域的应用逐渐减少主要应用的激光芯片主要有以下三种:VCSELDFB和EML。

1)VCSEL具有单纵模、圆形输出光斑、价格低廉和易于集成等特点,发光传输距离较短,适用于300m内的短距离传输。主要应用场景包括:数据中心内部、消费电子领域

2)DFB是在FP的基础上通过内置布拉格光栅,使激光呈高度单色性,降低损耗,提升传输距离,从而满足中长距离传输的要求属于最常用的直接调制激光器主要应用场景包括:FTTx接入网、传输网、无线基站、数据中心内部互联等。

3)EML激光通过在DFB的基础上增加外调制器电吸收片(EAM,啁啾与色散性能均优于DFB,适用于更长距离传输。主要应用场景主要包括:高速率、远距离的电信骨干网、城域网和数据中心互联(DCI网络)

 

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9 VCSEL、DFB和EML示意图

 

1 发射端主要的三种激光器对比

 表1.png

工业级温度DFB

对于5G时代光模块的应用,需求量将超过4G时代,低成本将依然成为产业链对光模块的主要诉求。实现低成本最根本的手段是技术创新,包括网络架构,网络协议等各方面的创新,而物理层光器件的创新,是推动市场发展的根本动力[6]。对于无线接入网,由于较多基站要部署在恶劣的环境下,其对光模块能够正常工作的温度范围要求就很高,比如要达到工温(-40℃~+85℃)的指标,商温激光器加温控的方案无论从制造还是功耗方面,都会造成光模块成本增加。工业级温度范围的激光器替代商业级温度范围的激光器,是降低光模块封装成本的重要创新方向。

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10 10km单模光纤100GbE收发器降成本发展方向[7]


对于工业级温度DFB激光器的设计与制造,从激光器的材料与结构(保持激光器的单模性)着手,来扩大温度范围。目前Oclaro,RenesasMacomMitsubishi等公司,均可供应工温25G DFB激光器。全新的工温25G激光器将满足严格的工作要求,传输距离可达2至10千米有助于扩展无线基础设施带宽,实现高速5G连接。

非制冷EML

EML属于外调制方式是指电吸收调制器(EAM)与DFB激光器的集成器件,其波长啁啾低,因此信号传输质量高,容易实现50G以上波特率高速调制,并且还具有易实现集成化小型化,低调制电压,高消光比等特点,在10公里以上的中长距离光模块中已经得到广泛应用。然而,数据通信模块的特点是低功耗和低价格,传统EML需要温度控制,光模块整体耗电量会上升,同时EML的高成本,也成为了其广泛应用的瓶颈。近年来,随着需求变化的驱动,非制冷(UncooledEML已开始应用。将EML做成对环境变化不太敏感的光器件,使得在一定范围温度条件下(例如0~+70度),不需要温控,或者简单温控便可以正常工作。通过在模块中消除温控器件,部分解决了成本和功耗的问题。因此在未来的数通领域,非制冷EML可以向下延伸到2km的应用,400G应用领域,把电信号加在光信号上直接调制方式受限于芯片速度,封装难度大,能耗较高等因素,目前EML被认为是400G领域的重要选项之一。

据相关文献[8]对低驱动电压非制冷53 G baud PAM4(106G bps)EML激光器的报道。新开发高带宽1.3μm非制冷EML激光器成功在20至85°C的宽温度范围内以0.9 VPP驱动电压进行53 G baud PAM4工作通过仔细优化多量子阱(MQW设计和调制器长度,低寄生电容结构,其消光比超过4.9 dB,边模抑制比SMSR)超过40 dB,3dB带宽达到42 GHz,在20到85°C之间TDECQ小于2.3 dB,完全满足53G baud调制的需要

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11 非制冷53G baud PAM4 EML激光器结构示意图[8]


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12 2085°C光谱静态特性[8]

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13 E/O响应(S21) 50°C, EA -1.0 V偏置电压,100 mA驱动电流)[8]

结束语

本文通过介绍光模块的基本概念与组成,讨论了基于5G承载网络对光模块的应用及市场求,以及行业先进的硅光技术。通过对核心光-电器件介绍,工业级温度DFB激光器,非制冷EML技术的发展,探讨了光模块物理层光器件未来的发展方向与趋势。5G商用近在咫尺, 国内光通信产业的发展迎来新的助力,5G网络规模部署以及物联网的进一步发展更将带来新一轮的机遇,光通信未来可期。


参考文献:

[1] 程燊彦,‘光通信行业专题报告:5G数通双驱动,光模块再迎腾飞‘,中国国际证卷有限公司

[2] LightCounting, ‘October 2018 Market Forecast Report’

[3] IMT-2020(5G)推进组, ‘5G承载光模块白皮书’

[4] Intel, ‘Data-centric innovation summit’, SANTA CLARA, CA, August 8, 2018

[5] Eric Mounier, Jean-Louis Malinge, ‘Silicon Photonics 2018’, Yole

[6] 张华,黄卫平,’ 5G无线光模块的需求分析和关键技术’, 青岛海信宽带

[7] Masato Shishikura, Matt Traverso, KiyoHiramoto, Atsushi Takai, ‘Uncooled CWDM 25-Gbps EA/DFB Lasers for Cost-Effective 100GbE transceiver for 10km SMF’

[8] Yoshihiro Nakai, Akira Nakanishi, Yoriyoshi Yamaguchi, Syunya Yamauchi,                                Atsushi Nakamura, Hideaki Asakura, Hayato Takita, Shigenori Hayakawa, Masatoshi Mitaki,    Yasushi Sakuma, and Kazuhiro Naoe , ‘Uncooled Operation of 53-Gbaud PAM4 (106-Gb/s) EA/DFB Lasers with Extremely Low Drive Voltage with 0.9 Vpp’, OFC, 2008



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