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5G光模块关键技术分析和展望

时间:2019-05-13 12:45:56

 摘要:

5G时代渐行渐近,终端模组和手机市场已经硝烟四起,国内外5G相关的标准组织和产业都在紧锣密鼓的布局,抢占市场先机。作为光通信产业链的重要一环,光模块产业也在5G推动下不断创新,为5G和云网络提供高带宽低时延的全面连接

本文主要分析5G光模块的关键技术方案,通过技术和新产品的结合来深入理解5G光模块产业的新需求,以及相关技术的未来趋势。

一、5G相对4G的变革

移动通信在从1G发展到5G的过程中,5G使用的频率提高到Sub6GHz和毫米波范围,在获得大带宽的同时面临基站覆盖范围减小的困境。因此5G相对于4GRANRadio Access Network架构也发生了新变化,5G前传、中传和回传对光接入和承载网络提出高带宽低时延的新要求[4]

            光迅图1.png

             1   5G相对4G网络重构的变革                     

CPRI(Common Public Radio Interface,通用公共无线电接口)是一个通用的标准,将数字基带I / Q信号传输到传统BS(基站)中的无线电处理单元,满足无线前传对带宽和时延的严格要求。CPRI定义了多种接口速率,目前4G基站前传主要采用10Gb/s以下的光模块。高频段、更宽频谱和新空口技术使得5G基站带宽需求大幅提升,新一代标准化的5G前传接口标准eCPRIenhanced-CPRI采用分组化的以太网接口,可以借助25G及以上的以太网产业链,成为5G前传的主流应用。

光迅图2.png 

                        2 4G5G无线前传带宽评估

5G前传采用eCPRI接口的基础上,5G光接入和承载网各节点之间对光模块的典型需求如下:

前传:初期10G25G混用,成熟期业界主流采用25G前传模块。25G BiDi单纤双向光模块能够有效节省光纤资源并降低部署成本,成为目前各光模块厂商投入的重点。低成本可调谐25G光模块也在研发中。

中传:在对流量进行一定的收敛比情况下,规模采用25G50G的光模块,后期发展到100G/200G50G及以上多PAM4高阶调制技术。

回传:5G初期可采用100G光模块,采用PAM4技术的200G/400G光模块也会逐步应用,未来将向600G/800G演进,部分场景将引入低成本相干技术[2]

                  1  5G承载光模块应用场景及需求分析

    光迅表1.png                       

二、5G光模块现状

      根据IMT-2020(5G)推进组发布的《5G承载光模块白皮书》的汇总[1],前传光模块主要包括25Gb/s100Gb/s两大速率类型,支持数百20km的典型传输距离,具体技术现状如表所示。

               2  5G前传光模块技术现状    

 光迅表2.png

5G中回传光模块主要包括25Gb/s50Gb/s100Gb/s200Gb/s400Gb/s等多种速率,典型传输距离从几km到数百km

 光迅表3.png

3  5G中回传光模块技术现状

三、5G光模块关键技术

   3.1 工温25G低成本激光器

由于5G无线前传微基站设备数量众多并且工作于恶劣的室外环境下,5G前传光模块对成本、功耗与宽温工作都有严格的要求。普通商业级光模块,正常工作温度为070℃;而工业级光模块的工作温度为-40℃~85℃。

要实现工业级光器件,需要从两个方面突破,首先无制冷25G工业级DFB激光器是核心器件。但掌握此核心激光器量产能力的厂家很少,国内大多依赖进口。其次,需要采取高效的散热方法把激光器的热量通过外壳耗散出去。

光迅图3.png

                  3 工业级光模块的散热途径

常规半导体激光器在没有温控措施的高温环境下,会导致阈值电流指数级增加,发光功率指数级递减,消光比恶化,同时节温的急剧增加导致激光器寿命大幅缩短,无法满足严酷的室外环境下的工作要求。虽然通过温度控制方式可以使常规激光器可能用于室外环境,例如将常规DFB激光器放置在微型TEC制冷器上,制作成制冷激光器组件,但微型TEC的自身成本、封装和控制电路成本、功耗都显著增加,无法满足5G前传低成本低功耗的根本诉求,因此从激光器光芯片本身进行创新才能满足5G前传光模块的需求。

工业级无制冷25G DFB需要从半导体材料,激光器结构设计方面进行。高温半导体激光器可以在材料上使用掺入铝元素的AlInGaAs/AlGaAs,在激光器结构设计上采用多量子阱MQW或量子点QD结构[5]。

 

4  采用AlGaAs和量子点结构的高温DFB激光器

 

2018年光迅等公司都推出了业内领先的高性价比的25G SFP28 LR工业级产品,功耗小于1W,为5G前传奠定了基础。但25G工温激光器芯片仍然是国内亟待突破并持续投入的关键领域。

3.2 100G硅光集成

硅光子(SiP)是基于硅和硅基衬底材料(SiGe/SiSOI ),利用现有 CMOS 工艺进行光器件开发和集成的新一代技术,结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势。同时,硅光技术可以通过晶圆测试等方法进行批量测试,测试效率显著提升从而降低成本。

硅光集成目前多应用于短距离多通道的100G或以上速率的高端光模块,能够极大降低光器件的封装体积和功耗。预计到2022年,硅光子光收发器市场将超20亿美元,在全球光收发器市场中占比超20%。

光迅图5.png

            5 硅光子市场增长

近年来IntelLuxteraAcacia、光迅、RockleyMACOM等企业先后推出芯片级、模块级产品,并逐步实现小批量商用出货。

 当前硅光工艺能够加工的芯片级器件主要包括光波导、合分波器件、外调制器件、硅锗APD接收器等,但不包含激光芯片。主要是因为硅是间接带隙,空穴复合效率很低,发光效率极低。因此目前硅光方案主流仍是硅基混合集成,激光器仍使用传统的III-V族材料,采用分立贴装(光迅、Luxtera)或晶圆键合加工(Intel)将III-V族的激光器与硅上集成的调制、耦合光路等加工在一起

  光迅图6.png

              6 Intel硅光六大关键难点

 硅光技术逐步成熟,但从芯片到光模块,集成和封装工艺上仍存在较多技术难点,封装良率和成本仍有待优化,还需要一段时间的积累和发展来提高成熟度和完善批量化工艺。

                         

  光迅图7.png

7 Intel硅光100G PSM4光模块     

光迅图8.png

8 Juniper硅光100G LR4光模块

近来Intel先后发布了基于50G100G硅光技术的光模块,大幅简化了模块内部的结构和生产工序,工艺成熟后有望显著的降低成本。OFC2019Juniper也以硅光为切入点发布了100G400G硅光模块。国内一些设备商和光模块厂商也在硅光自主开发上有所布局,目前大多处于实验室阶段,与国外还有较大的差距。

3.3 25G/50G BiDi光模块和DSFP

BiDi光模块只有一个端口,通过光模块中的光合波/分波器将两个不同的波长信号放到同一根光纤上传送,同时完成一种波长光信号的发射和另一种波长光信号的接收BiDi光模块的波长都是组合形式的,因此BiDi光模块必须成对使用它最大的优势就是节省光纤资源上下行等距可有效保证5G要求的高精度时间同步等优势。

BiDi光模块的价格高于传统双纤双向光模块,但BiDi光模块所需要的光纤数量却减少了一半,使用更少的光纤所节约的成本要远远超过购买BiDi光模块增加的花费。

光迅图9.png 

                     9 25G BiDi工作原理图

25G BiDi光模块产品发射端采用非制冷DFB TO形式,中心波长分别为1270nm/1330nm,接收端多采用高灵敏度25G PIN形式,接收波长分别为1330nm/1270nm。产品沿用成熟的光器件同轴封装工艺平台,实现单纤双向的BOSABi-Direction Optical Subassembly)光组件。

BiDi光组件中的光合波分波器有两种方案,一种是WDM方案,多采用TFF薄膜滤波片,技术成熟,体积小插损小,成本低。第二种是采用两个微型环形器串联的方案,环形器方案对公共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要求,所以25G BiDi光模块建议优先考虑WDM方案。

25G/50G BiDi的关键技术在于解决光/电收发窜扰,25G设计高速封装和信号完整性,低功耗设计。目前国内多个厂家发布25G/50G BiDi相关产品,正处于小批量样品阶段。

BiDi的基础上,2018年业界发布了双小型可插拔多源协议组(Dual Small Form-Factor Pluggable Multi-Source AgreementDSFP MSA)规范,将SFP28模块密度和总带宽翻倍,DSFP将可以支持56Gb/s NRZ或者112Gb/s PAM4传输,未来还可以支持基于PAM4224Gb/s的传输。

 

2018年推出双10G DSFP+工温光模产品后,光迅科技也拟在2019年继续推出业内领先的双25G DSFP28光模块,此产品的推出将大大提升前传解决方案的性价比,更好地促进5G的部署。

光迅图10.png

           10 DSFP28 BiDi光模块功能框图

通信设备采用DSFP模块后,由于模块密度翻倍,因此成倍提高了通信设备的端口密度和吞吐量,也相应的提高了设备的性价比,增加了客户的产品竞争力。3.4 低成本25G可调光模块技术

根据业界的研究,可调激光器需要能够提供1620个不同波长才能满足前传网络系统的要求。为了降低波长稳定控制的难度,波长间隔一般在100GHz以上,所以波长可调范围需要在8nm以上。为了降低传纤损耗,25G最好工作在O波段,而业界可调激光器大多工作在CL波段,基本只能满足中短距的需求。

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,从成本、性能、功耗和技术成熟度综合考虑,基于WDM方案的5G前传网络主要采用两种可调激光器:(1)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(nsus级)、调制速率高和成本相对较低等优势,是业界主流技术方案,当目前国内量产能力匮乏。(2)基于温度调节的DFB波长可调范围只有4nm左右,单个DFB无法满足可调范围需求,只能采用DFB阵列的方式,每个DFB覆盖4nm范围,多个DFB并联且通过选通控制来选择某个DFB工作,实现需要的特定波长,调谐速度在秒级。

目前批量商用的可调激光器技术大都掌握在国外厂家手中,近年来随着产业界的并购,少数国内厂家通过收购获得了常规多段式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。

光迅图11.png

                     11 主流可调激光器原理

 

在获得需要的可调波长之后,波长稳定是需要解决的另外一个难题,一般需要通过闭环的监控环路动态的微调波长,从而满足系统需要的波长稳定度。此外,在波长调节的过程中,还需要设法避免对其他设备的波长造成的干扰,避免对其他波长上业务的影响。G.metro标准通过调顶方式构造一个带外的控制信令通道,实现远程的波长调节控制功能。

新一代光传送网论坛(NGOF)目前正从标准化和企业合作着手,推动低成本25G可调技术的研发和产业化应用,有望突破国外技术壁垒,实现低成本的WDM-PON前传方案。 

四、总结和展望

5G和数据中心对光通信产业的拉动带来巨大的市场机会,作为5G的基础网络设施,光模块产业链在5G前夕已经投入大量资源,按照《中国光电子器件产业技术发展路线图》的指引[3],尽快突破25G工温DFB和低成本封装的国产批量化生产是非常紧迫的任务。结合50G/100G PAM4和硅光集成技术的多通道100G/200G/400G光模块会对中传和回传带来深远的影响,成为当前研究和产业化的重点。在此基础上,低成本25G可调光模块将成为5G前传的有益补充。

在向5G成熟期的发展中,更为高速的50G/100G/200G BiDi也将进入技术规划,数据中心之间的长距高速互联将引入低成本的相干技术。技术的创新浪潮最终需要通过市场的检验来实现优胜劣汰,新产品的快速迭代也对光模块厂家的技术、生产、运营能力提出了更高的要求。

20205G的规模商用即将到来,资本和新厂家的不断涌入也促进技术的不断创新,从而避免产品的同质化竞争。掌握核心光芯片和封装技术的企业将获得更大的竞争力和经济收益。

 

参考文献:

[1]IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块白皮书2019.1Page 5

[2]IMT-2020(5G)推进组5G承载网络架构和技术方案白皮书2018.9Page 6

[3]中国电子元件行业协会,中国光电子器件产业技术发展路线图(2018-2022年)2017.12Page 19

[4]中国电信,5G时代光传送网技术白皮书,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



  武汉光迅科技股份有限公司  高建河 郭玲 蒋波 余向红 张军 徐红春
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