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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5G承载光模块白皮书引言5G承载光模块应用场景及发展现状前传关键光模块技术方案中回传关键光模块技术方案5G承载光模块产业发展分析总结与展望主要贡献单位P1P2P7P12P15P21P221IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块白皮书引言第五代移动通信（5G）技术即将迈入商用化进程，其新型业务特性和更高指标要求对承载网络架构及各层技术方案均提出了新的挑战。光模块是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不断增高，部分设备中甚至超过50~70%，是5G低成本、广覆盖的关键要素。根据IMT-2020（5G）推进组5G承载工作组2018年9月发布的《5G承载网络架构和技术方案白皮书》，5G前传、中回传对光模块提出了差异化要求，更高速率、更长距离、更宽温度范围和更低成本的新型光模块需求迫切。业界针对适用于5G承载不同应用场景的光模块技术方案已展开广泛研究，目前出现多种解决方案，种类纷繁复杂，需要业界推动进一步收敛聚焦。本白皮书基于5G承载网络对光模块的应用需求，结合光模块技术发展现状，聚焦研究不同应用场景下的关键5G承载光模块技术方案，分析现有光模块及核心光电子芯片产业化能力并开展测试评估，提出我国5G承载光模块技术与产业发展建议。后续业界应进一步合力优化和收敛关键技术方案，加速推动5G承载光模块逐步成熟并规模应用，有力支撑5G商用部署与应用。2IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块白皮书5G承载光模块应用场景及发展现状1光模块功能及分类概述光模块通常由光发射组件（含激光器）、光接收组件（含光探测器）、驱动电路和光、电接口等组成，结构示意如图1所示。光模块用于实现电-光和光-电信号的转换。在发送端，一定速率的电信号经驱动芯片处理后驱动激光器（LD）发射出相应速率的调制光信号，通过光功率自动控制电路，输出功率稳定的光信号。在接收端，一定速率的光信号输入模块后由光探测器（PD）转换为电信号，经前置放大器后输出相应速率的电信号。图1光模块结构示意图（SFP+封装）3IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块白皮书光模块有多种分类方式，典型如依据封装方式、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、工作温度范围等进行分类。按封装方式分类有SFP+、SFP28、QSFP28、CFP2、QSFP-DD、OSFP等；按速率分类有10Gb/s、25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s、400Gb/s等；按传输距离分类有100m、10km、20km、40km、80km及以上等；按调制格式分类有NRZ、PAM4、DP-QPSK/n-QAM等；按是否支持波分复用（WDM）应用分类有灰光模块（不支持WDM）和彩光模块（支持WDM）；按光接25G承载光模块应用场景5G承载网络一般分为城域接入层、城域汇聚层、城域核心层/省内干线，实现5G业务的前传和中回传功能，其中各层设备之间主要依赖光口工作模式分类有双纤双向（Duplex）、单纤双向（BiDi）；按工作温度范围分类有商业级（0~70℃）、工业级（-40~85℃）等。光模块内部的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；光探测器可分为PIN结二极管（PIN）、雪崩光电二极管（APD）等。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，光模块可根据具体规格要求选择不同的芯片方案。模块实现互连，其典型应用场景及需求分析如表1所示。表15G承载光模块应用场景及需求分析数据来源：《5G承载网络架构和技术方案白皮书》2018.94IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块白皮书5G前传的典型应用场景如图2所示，包括光纤直连、无源WDM和有源WDM/光传送网（OTN）/切片分组网（SPN）等。光纤直连场景一般采用25Gb/s灰光模块，支持双纤双向和单纤双向两种类型，主要包括300m和10km两种传输距离。无源WDM场景主要包括点到点无源WDM和WDM-PON等，采用一对或一根光纤实现多个AAU到DU间的连接，典型需要10Gb/s或25Gb/s彩光模块。有源WDM/OTN场景，在AAU/DU至WDM/OTN/SPN设备间一般需要10Gb/s或25Gb/s短距灰光模块，在WDM/OTN/SPN设备间需要N×10/25/50/100Gb/s等速率的双纤双向或单纤双向彩光模块。图25G前传典型应用场景5G前传应用场景对光模块的典型要求如下：（1）满足工业级温度范围，可靠性要求高：考虑AAU全室外应用环境，前传光模块需满足-40℃~+85℃的工业级温度范围，以及防尘等要求。（2）低成本：5G光模块总需求量预计超过4G，尤其前传光模块可能存在数千万量级的需求，低成本是产业对光模块的主要诉求之一。5G中回传覆盖城域接入层、汇聚层与核心层，所需光模块与现有传送网及数据中心使用的光模块技术差异不大，接入层将主要采用25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s等速率的灰光或彩光模块，汇聚层及以上将较多采用100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s等速率的DWDM彩光模块。5IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块白皮书35G承载光模块发展现状目前，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）、光互联论坛（OIF）、4WDM等多源协议（MSA）、中国通信标准化协会（CCSA）等正在开展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各不相同、种类繁杂。前传光模块主要包括25Gb/s和100Gb/s两大速率类型，支持数百m到20km的典型传输距离，具体技术现状如表2所示。5G中回传光模块主要包表25G前传光模块技术现状6IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块白皮书括25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s等多种速率，典型传输距离从几km到数百km，支持CPRI、eCPRI、以太网、OTN等多种接口协议，以及NRZ、PAM4、DMT等调制格式，具体技术现状如表3所示。表35G中回传光模块技术现状随着光器件芯片技术、标准和应用需求的发展，未来光模块类型可能还会增加。过多的产品类型和规格将导致光模块整体产业市场碎片化，造成产业链上下游研发、制造与运维等诸多环节资源浪费。本白皮书根据应用场景、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，以及25Gb/s双纤双向、50Gb/s单纤双向/双纤双向、100/200/400Gb/s灰光、相干和非相干50/100Gb/s彩光等中回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承载光模块产业良性健康发展。7IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块白皮书前传关键光模块技术方案125Gb/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3所示。IEEE802.3cc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，预计2019年完成报批。图325Gb/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4和图5所示。图4超频方案功能框图图5PAM4方案功能框图8IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块白皮书超频方案包含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。目前基于FP激光器的25Gb/s双纤双向300m光模块已经成熟，基于DFB激光器的25Gb/s双纤双向10km光模块还需进一步完善。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/sNRZ和25Gb/sPAM4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。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，具体时延对称性优势分析详见本白皮书第四部分，典型传输距离10km、15km、20km。25GBiDi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6所示。225Gb/s单纤双向灰光模块图625Gb/s单纤双向灰光模块（c）产品示例9IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块白皮书325Gb/s可调谐彩光模块环形器方案对公共端（图6b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/sBiDi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，CCSA25Gb/sBiDi光模块标准征求意见稿已初步确定1270nm/1330nm波长方案，预计在2019年完成标准制定工作。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-TG.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7所示。图725Gb/s波长可调谐彩光模块10IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块白皮书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4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4波长可调谐激光器技术方案11IMT-2020(5G)推进组5G承载光模块白皮书100/200Gb/sBiDi10km光模块的技术方案4100/200Gb/s单纤双向灰光模块正处于研究阶段，典型实现方式包括环形器