5G承载光模块白皮书终稿

1、5G承IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书目录TOC o 1-5 h z引言P15G承载光模块应用场景及发展现状P2前传关键光模块技术方案P7中回传关键光模块技术方案p125G承载光模块产业发展分析P15总结与展望p21主要贡献单位P22IMT-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。IM

2、T2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书 # 引言IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书 # #IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书 # #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5070%,是5G低成本、广覆盖的关键要素。根据IMT-2020（

3、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

4、逐步成熟并规模应用，有力支撑5G商用部署与应用。IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（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IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书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

5、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。IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书激光器芯片（LDChip）IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书光模块图1光模块结构示意图（SFP+封装）Jr7-L.-r：-!D:光发(TOSA)IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT

6、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

7、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（070C）、工业级（-4085C）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

8、用场景及需求分析如表1所示。IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书表15G承载光模块应用场景及需求分析网络分层城域接入层5G前传5G中回彳传输距离10/20kmecq）1探m问题。（OMA）、消光比（光调制幅度PAM4信号发送色散眼闭合度（TI口口口送功率偏高、OMA值偏高和仪表兼容性等灵敏度、电差分眼图幅度、上升下降时间、共45010kmGb/sPAM440kmQSFP28光迅、新新易盛IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（

9、5G推进组5G承载光模块白皮书 #IMT2020(5G推进组5G承载光模块白皮书 #25Gb/sBiDi10km光模块有1330nm/1270nm和1310nm/1270nm两种波长方案，如图9所示配置，在仪表开启RS-FEC模式下，1330nm/1270nm相同波长方案的光模块实现10km光纤+911dB衰减的异厂家光模块互通传输；1330nm/1270nm和1310nm/1270nm不同波长方案的光模块实现10km光纤+5.58.5dB衰减的异厂家光模块互通传输。25Gb/s300m光模块为1310nm波段，在仪表关闭FEC模式下实现10km光纤+1015dB衰减的异厂家光模块互通传输。I

10、MT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书 # #IMT2020(5G推进组5G承载光模块白皮书 #IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书 # #IMT2020(5G推进组5G承载光模块白皮书 #25G仪表RS-FEC光模块AT:1270nmR:1330/1310nmlOkm(O.33dB/IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书 # #IMT2020(5G推进组5G承载光模块白皮书 #IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT20

11、20（5G推进组5G承载光模块白皮书 # #IMT2020(5G推进组5G承载光模块白皮书 #光模块A光模块B图9仪表环境光模块互通测试25Gb/sBiDi10km25Gb/sBiDi10kmIMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书 # #IMT2020(5G推进组5G承载光模块白皮书 #50Gb/sPAM410km光模块在仪表开启FEC模式下，同厂家互通或自环可实现FEC模式下实现40km光纤+5dB衰减自环44小时长期无丢包。IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书 # IMT2020(

12、5G推进组5G承载光模块白皮书 #严灣NTN设备识别并关闭等操作，但在管理信息纤+8dB衰减的传输。异厂家光模块在1+2dB衰减互通测试中多次出现丢包和IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书 # #IMT2020(5G推进组5G承载光模块白皮书 #题。50Gb/sPAM440km光模块在仪表开启获3稳定等方面有待进一步验证。IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书 # #IMT2020(5G推进组5G承载光模块白皮书 #IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（5G推进

13、组5G承载光模块白皮书 # #IMT2020(5G推进组5G承载光模块白皮书 #厂家4厂家4IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书 # #IMT2020(5G推进组5G承载光模块白皮书 #IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书 # #IMT2020(5G推进组5G承载光模块白皮书 #IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020(5G推进组5G承载光模块白皮书 #如图10所示配置，在设备环境关闭FEC模式下，25Gb/sBiDi

14、10km光模块（1330nm/1270nm方案）实现10km光纤+3dB衰减多厂家互通传输；25Gb/s300m光模块实现300m光纤+3dB衰减多厂家互通传输；100Gb/s4WDM10km光模块实现10km光纤+3dB衰减异厂家互通传输。IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020(5G推进组5G承载光模块白皮书 #IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020(5G推进组5G承载光模块白皮书 #25G仪表无FEC20km光纤也IMT2020（5G推进组5G承载光模块白

15、皮书IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020(5G推进组5G承载光模块白皮书 #光模块A25Gb/sBidi20km厂家1光二嘩0；设备环境光模块互通测试工卞厂L京】=IMT2020(5G推进组5G承载光模块白皮书IMT2020(5G推进组5G承载光模块白皮书 # IMT2020（5G推进组5G承载光模块白皮书 综上，参测的25/50/100Gb/s光模块样品绝大部分满足已发布或在研的IEEE802.3和CCSA行标相关要求，个别存在发送功率偏高、OMA值偏高、波长方案不统一和仪表不兼容等问题。后续在异厂家互通、与系统设备的兼容性方面需要进一步测试验证，以满足5G承载规模部

16、署应用需求。4低成本光模块产业发展建议为满足5G承载光模块的低成本需求，推动相关产业健康有序发展，建议光模块终端用户、设备厂商、模块厂商、研究机构等业界各方力量在保证光模块质量的前提下，从指标综合优化、规模化与资源重用、核心器件突破几个方面着手改进：（1）评估应用场景与传输距离实际需求，综合优化光模块指标要求。一是优化前传光模块的链路预算，适当放宽指标可以提升工业级激光器的筛选比例；二是一些应用场景尤其是城域，可根据实际需求放宽系统对相干光模块的OSNR指标（如12dB），可以支持更多商用DSP芯片，同时通过简化相干DSP功能与算法，降低芯片研制成本；三是适当放宽硅基方案的相干光模块输出功率要

17、求，譬如如果输出光功率放宽至-15dBm水平，则硅光芯片的良率会得到明显改善。（2）模块方案尽可能聚焦，并充分利用成熟技术方案与产业资源。一是前传光模块聚焦于25Gb/sDuplex300m，25Gb/sBiDi10/15km等；二是中回传光模块采用数据中心和传送网已有光模块；三是25Gb/sBiDi方案在初期采用10Gb/sBiDi成熟的单纤双向光组件（BOSA）封装工艺。（3）进一步增强国内对于核心芯片的自研与量产能力。一是工业级温度范围的激光器芯片替代商业级激光器芯片；二是硅光集成芯片、窄线宽可调激光器芯片的技术突破；三是DSP、激光器驱动IC的国产化等。总结与展望技术方面，5G前传、中

18、回传对新型光模块提出了差异化需求，目前每种应用场景均存在多种光模块技术方案与规格。过多的产品规格容易导致光模块市场碎片化，造成上下游研发、制造与运维等诸多资源浪费。为培育良性发展模式，5G承载光模块技术方案需进一步求同存异、聚焦收敛，通过对重点技术方案的聚力投入和规模效应来实现成本降低，并从规避产业链风险考虑，加大扶持国内厂商可以主导的光模块技术产品方向。产业方面，国内厂商在光模块层面能够提供大部分产品，研发水平紧跟国外领先企业，但25G波特率及以上的核心光电芯片尚处于在研、样品或空白阶段，亟待突破。光模块及芯片的自主创新发展很难仅靠器件模块商自身力量实现，一方面需要下游设备商的拉动牵引，通过充分合作实现新产品的迭代验证，从而加速突破可靠性、量产等关键问题；同时产业生态需要进一步改善，为避免4G时代光模块无序竞争再现，5G时代可建立完善评价机制，促进产业良性竞争和健康发展。5G商用近在咫尺，5G承载在为光模块革新发展提供契机的同时，留给新型光模块技术成熟和规模应用的时间窗口日益缩短。5G承载工作组将与业界加强合作、聚焦共识，协