前传关键光模块技术方案

易飞扬

光互联论坛（ OIF ）、国内外标准化组织国际电联（ITU-T）、电气和电子工程师协会（IEEE）、4WDM等多源协议（MSA）、中国通信标准化协会（CCSA）等开展的5G承载相关的光模块规范制定，涉及的模块类型和接口特性种类繁杂、各不相同。而前传光模块主要包括25Gb/s和100Gb/s两大速率类型，支持数百米到20千米的典型传输距离，具体技术现状如表1所示。

表1 5G前传光模块技术现状

易飞扬根据应用场景、技术成熟度、成本等因素，重点针对25Gb/s双纤双向、25Gb/s单纤双向、25Gb/s波长可调谐、100/200Gb/s单纤双向等前传关键光模块技术方案进行分析并开展测试评估，协同业界聚焦和推动5G前传光模块产业良性健康发展。

1、25Gb/s双纤双向灰光模块

25Gb/s双纤双向灰光模块的典型传输距离包括300m和10km。300m光模块通常用于基站的塔上塔下互连，10km光模块主要用于传输距离更远或链路损耗更大的AAU与接入机房（站点）之间的光纤直连场景。

25Gb/s双纤双向灰光模块功能框图及产品示例如图1所示。IEEE 802.3cc已完成25GbE单模光纤接口规范，CCSA已启动国内行业标准化制定工作，2019年完成报批。

图1 25Gb/s双纤双向灰光模块

光模块可采用25G和10G两种波特率的激光器芯片来实现。25G波特率工业级激光器芯片可靠性要求与量产工艺要求较高，市场供应渠道有限。10G波特率工业级激光器芯片能充分利用成熟的供应链，可有效降低光模块成本，目前业界主要有超频、PAM4高阶调制两种实现方案，功能框图分别如图2所示。

图2 超频方案功能框图和 PAM4方案

超频方案包含FP和DFB两种实现方式。FP激光器方式中，影响传输距离的主要因素包括链路衰减损耗、码间干扰（ISI）代价、模式分配噪声（MPN）代价等，理论上可支持300m以上的传输距离。DFB激光器方式中，由于中心波长更靠近G.652光纤零色散点、光谱宽度更窄、以及可忽略模式分配噪声等，理论上可支持10km以上的传输距离。

PAM4方案采用10G波特率的工业级激光器与光探测器，但在配套IC方面需要更换为线性度更高的激光器驱动和TIA芯片，同时增加25Gb/s NRZ和25Gb/s PAM4相互转换的DSP芯片。目前已实现10~15km演示试验，配套芯片仍处于研发阶段，综合成本有待进一步评估。

综上分析，采用10G波特率工业级激光器芯片的25Gb/s光模块，300m规格可优先采用超频方案，10km规格超频方案存在一定技术挑战；PAM4方案在10km及更长传输距离的应用取决于配套芯片的规模效应。

2、25Gb/s单纤双向模块

BiDi光模块具有节省50%的光纤资源、上下行等距可有效保证高精度时间同步等优势，典型传输距离10km、15km、20km。25G BiDi的技术方案主要有两种，一是利用不同波长的波分复用（WDM）实现，二是利用相同（或不同）波长结合环形器的方式实现，如图3所示。

图3 25Gb/s单纤双向灰光模块

环形器方案对公共端（图4b中的两端）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防尘要求，25Gb/s BiDi光模块建议优先考虑WDM方案。在波长对选择上业界主要有 1270nm/1310nm和1270nm/1330nm两种方案。

3、25Gb/s可调谐彩光模块

在5G网络建设初期，前传将以光纤直驱方式为主，伴随着高频组网以及低频增点等深度覆盖，为充分利用已有光纤资源或解决光纤资源紧张问题，WDM方式会成为有益补充，其中波长可调谐（Tunable）光模块是其核心单元。我国牵头起草发布的ITU-T G.698.4标准（G.Metro）已定义10Gb/s接入型WDM组网和波长无关、无色化实现机制，目前业界正在探讨25Gb/s速率的技术方案。25Gb/s波长可调谐光模块功能框图如图4所示。

图4 25Gb/s波长可调谐彩光模块

　　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，五种最典型的方案对比如表2所示。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、调制速率高和成本相对较低等优势，是业界主流技术方案，受专利等限制，国内量产能力有限。目前国内基本具备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。另外，外腔激光器、微机电系统（MEMS） VCSEL、DFB阵列等方案因成本、稳定性、工作带宽和调谐时间等限制尚在进一步研究中，尚不具备规模产业化能力。

表2 波长可调谐激光器技术方案

　　4、100/200Gb/s单纤双向光模块

　　100/200Gb/s BiDi 10km光模块的技术方案正处于研究阶段，典型实现方式包括环形器和WDM两种，功能框图如图5所示。

图5 100Gb/s BiDi光模块功能框图

　　100/200Gb/s BiDi光模块的核心激光器芯片主要由国外厂商提供，目前可支持O波段CWDM（4波）或LWDM（4波）两种，波长数量有限。现阶段单纤双向技术的实现方案建议优先采用小型化环形器（图8 a所示）。后续随着PAM4技术进一步成熟，2×50Gb/s或1×100Gb/s或将成为下一代100Gb/s光模块的主流技术方案，采用WDM实现单纤双向将是更经济的方式（图5 b所示）。