下一代5G承载光模块白皮书

目录目录 IMT-2020(5G)推进组于2013年2月由中国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动成立，组织架构基于原IMT-Advanced推进组，成员包括中国主要的运营商、制造商、高校和研究机构。推进组是聚合中国产学研用力量、推动中国第五代移动通信技术研究和开展国际交流与合作的主要平台。IMT-2020(5G)推进组下 一 代 5 G 承 载 光 模 块 白 皮 书引言需求研究下一代5G前传光模块技术方案研究下一代5G中回传光模块技术方案研究5G承载光模块产业链研究总结主要贡献单位P1P2P3P15P30P32P331IMT-2020(5G)推进组下 一 代 5 G 承 载 光 模 块 白 皮 书引言自2019年6月工业和信息化部正式发放牌照以来，我国第五代移动通信（5G）技术商用部署已有三年，并进入规模化应用关键期。承载光模块对于移动通信网络的传输性能保障具有重要影响，随着5G建设的持续推进和应用场景的日益丰富，为满足更大带宽、更高性能、更低成本和更小尺寸等承载需求，业界不断探索新型5G前传和中回传光模块技术研究，为Beyond 5G乃至6G部署进行充分准备。早期，IMT-2020(5G)推进组5G承载工作组发布了《5G承载光模块白皮书》、《5G承载与数据中心光模块白皮书》，对5G承载、数据中心及全光接入等相关应用领域的光模块技术进行了详细研究，其中部分方案已逐步成熟并走向规模应用。本白皮书将在前期白皮书研究工作基础上，结合下一代5G承载光模块的核心需求，研究新型技术方案，并对5G承载光模块及核心光电子芯片器件产品化能力进行评估，提出后续发展建议，推动下一代5G承载光模块产业链协同有序发展。2IMT-2020(5G)推进组下 一 代 5 G 承 载 光 模 块 白 皮 书需求研究图1 5G前传承载需求演进根据工业和信息化部公布的数据，2022年，我国累计建成开通5G基站超过230万个；2023年，将出台推动新型信息基础设施建设协调发展的政策措施，加快5G和千兆光网建设，启动“宽带边疆”建设，全面推进6G技术研发。随着用户持续增长，移动互联网流量快速上升，5G网络建设和优化将不断推进，更为丰富的频谱资源也将被释放出来，驱动承载技术迭代演进，以满足日益凸显的高速数据互联需求。前传网络对于下一代5G乃至6G网络的传输性能和质量具有重要影响，是移动通信新型网络和承载技术研究的热点之一。在我国，C-RAN组网模式大量部署，25Gb/s xWDM光模块已广泛应用于当前的5G前传网络。针对未来更高通道Massive MIMO基站、U6G频段基站、毫米波基站等应用场景，前传网络带宽需求将进一步提升，在保留现有端口数量和节约光纤资源的前提下，业界已启动50Gb/s及更高速率的下一代5G前传光模块技术研究。目前，5G中回传接入和汇聚层主要采用25Gb/s、50Gb/s和100Gb/s光模块，下一代5G中回传网络将持续向200Gb/s等更高速率、大容量、低功耗、低时延和低成本方向演进。在光纤资源相对紧张的应用场景，单纤双向光模块相对于双纤双向光模块可节省50%的光纤资源，且具有时延对称性好等优3IMT-2020(5G)推进组下 一 代 5 G 承 载 光 模 块 白 皮 书2.1 灰光模块2.1.1 50Gb/s光模块前传用50Gb/s灰光模块包含50Gb/s双纤双向光模块和50Gb/s单纤双向（BiDi）光模块两类技术方案。（1）双纤双向50Gb/s双纤双向光模块的功能框图及实现方式如图2所示。势，100Gb/s单纤双向光模块成为业界研究热点之一。此外，2021年发布的《5G承载与数据中心光模块白皮书》对80km传输距离的100Gb/s强度调制光模块进行了研究，为降低成本拓展应用范围，业界开始布局80km以上传输距离的100Gb/s强度调制光模块和O波段WDM光模块等技术研究。下一代5G前传光模块技术方案研究图2 50Gb/s双纤双向光模块功能框图及实现方式4IMT-2020(5G)推进组下 一 代 5 G 承 载 光 模 块 白 皮 书50Gb/s双纤双向光模块的产业链已初具规模。光芯片方面，早期采用NRZ码型的25Gb/s光模块对DFB激光器芯片的带宽要求约为17GHz，50Gb/s光模块采用PAM4码型，激光器的非线性效应明显增强，需进一步提高带宽（约为19GHz）、优化带内平坦度来降低非线性效应。目前国内外已有多家芯片厂商可进行批量化供应，国外供应商如Lumentum、住友、Macom、三菱等，国内供应商如光迅、源杰等。电芯片方面，分为DSP和CDR两种实现方案，DSP方案的相关厂商包括Marvell、Credo和橙科，均已发布应用于5G前传、集成驱动器的DSP芯片，CDR方案的相关厂商包括Semtech、Macom等，其中，Semtech已发布应用于5G前传、集成驱动器的CDR芯片，Macom集成驱动的CDR产品处于开发阶段。 50Gb/s双纤双向光模块在性能、功耗和成本等方面仍面临较多问题和挑战。首先，在核心电芯片方案选择上，DSP方案可通过内部算法对光信号传输中的非线性问题进行优化，处理能力更强、误码率与接收灵敏度性能更优，但代价是信号传输时延大，功耗和成本较高，还需平衡功耗对光模块温度的影响，保持光模块温度稳定是确保前传链路稳定可靠的重要诉求。CDR方案具有带宽高、发射性能好、信号传输时延低等优点，功耗和成本较低，但信号处理能力较DSP方案弱，对MPI及链路预算提升的应对有待验证。如果DSP和CDR方案在应用中共存，互连互通是需要解决的重要技术问题。其次，光芯片在控温功能使用上业界仍存在分歧。控温功能可以使激光器在整个模块工作温度范围内处于比较理想的工作状态，可有效控制激光器波长、避免极限温度下激光器带宽的劣化，但会带来成本和功耗的增加。不使用控温功能时光模块成本和功耗相对较低、工艺更简单，但对光芯片高频性能的要求提高，应用效果有待进一步验证。最后，前传网络部署环境复杂，前传光纤链路存在技术和工程的不确定性，对50Gb/s光模块光电参数将提出更高要求。面向前传的50Gb/s双纤双向光模块国内外标准尚未发布，光模块厂商均处于开发或样品阶段。封装以SFP56为主，DDM和接口定义参考SFF-8472、SFF-8431协议；电接口性能参考OIF-CEI-4.0相关规定；光接口性能在参考IEEE802.3cd 50GBASE-LR基础上，需根据应用场景对波长范围、收发光功率、灵敏度等指标进行修正。国际光电委员会（IPEC）已立项下一代移动前传MFH50标准项目，重点对50Gb/s及更高速率的前传网络需求及组网方案、光电接口、管理接口、封装和测试方法等进行研究，目前正在开展50Gb/s双纤双向10km距离规格技术讨论。5IMT-2020(5G)推进组下 一 代 5 G 承 载 光 模 块 白 皮 书表1 50Gb/s双纤双向光模块关键参数指标研究现状截止2022年底，已有多家光模块厂商可提供面向前传的50Gb/s双纤双向光模块样品（CDR或DSP方案）。华为等系统设备商已开展测试验证，高低温测试结果基本满足IEEE 802.3cd和IPEC MFH50标准草案的相关要