隨著5G網絡在全球范圍內的規模化部署,其高速率、低時延、大連接的特性對承載網提出了前所未有的挑戰。光模塊作為5G承載網中的核心光電器件,尤其是前傳與中回傳環節的關鍵組成部分,其技術演進直接關系到網絡性能與成本效益。對下一代5G前傳和中回傳光模塊技術進行深入研究,聚焦于工程、技術研發與試驗發展,已成為推動5G Advanced及未來6G演進的必然要求。
一、 技術需求與挑戰分析
- 前傳光模塊:在C-RAN架構下,前傳需要實現DU(分布式單元)與AAU(有源天線單元)之間的高速互聯。主要挑戰在于:
- 高帶寬:支持單通道25G/50G,并向100G演進,以滿足 Massive MIMO 和載波聚合的需求。
- 低成本與低功耗:站點數量龐大,對模塊的成本和功耗極為敏感。
- 工業級溫度范圍:需在-40℃至+85℃的嚴苛環境下穩定工作。
- 時延與同步精度:需滿足μs級時延和百ns級的時間同步精度要求。
- 中回傳光模塊:連接DU至CU(集中單元)及核心網,承擔著更大的匯聚流量。主要挑戰在于:
- 速率躍升:從當前的100G/200G向400G、800G甚至1.6T演進,以應對激增的回傳流量。
- 傳輸距離:覆蓋從幾公里到80公里甚至更長的距離,需要多種傳輸方案。
- 靈活性與智能化:支持靈活速率、可調波長、鏈路診斷與數字診斷監控(DDM/DOM)等功能,以適應動態網絡需求。
- 集成度與密度:數據中心互聯(DCI)理念引入,要求模塊在保持高性能的向更小封裝、更高端口密度發展。
二、 關鍵技術研究方向
- 高速光電芯片技術:
- 激光器與調制器:發展基于EML(電吸收調制激光器)、硅光調制器及薄膜鈮酸鋰調制器的解決方案,以支持更高速率(≥100Gbaud)和更高線性度。
- 探測器:研發高帶寬、高靈敏度的APD(雪崩光電二極管)和PIN光電二極管,提升接收性能。
- 先進調制格式與DSP技術:
- 在前傳中,繼續優化PAM4調制技術的應用,降低成本。在中回傳中,深入研究基于相干探測的DP-QPSK、16QAM等高階調制格式,結合高性能數字信號處理(DSP)芯片,實現單波長400G/800G超長距傳輸。
- 線性驅動與TIA:開發支持高速PAM4和相干信號的線性驅動放大器與跨阻放大器,提升系統信噪比。
- 封裝與集成技術:
- 先進封裝:推動COB(板上芯片)、硅光集成、Pluggable Optics(可插拔光模塊)向更小尺寸(如QSFP-DD, OSFP)、更低功耗演進。CPO(共封裝光學)和NPO(近封裝光學)技術被視為突破功耗和密度瓶頸的長期方向。
- 熱管理:針對高功率密度模塊,開發高效散熱材料與結構設計。
- 標準化與互通性:積極參與并推動IEEE、OIF、CCSA等組織的標準化工作,明確新一代光模塊的形態、接口、管理協議等,確保多廠商設備的互通性,降低部署復雜度。
三、 工程與試驗發展路徑
- 原型開發與驗證:搭建涵蓋芯片、組件、模塊、系統級的全鏈路仿真與測試平臺。針對25G/50G SFP28、SFP56前傳模塊,以及400G/800G QSFP-DD/OSFP中回傳模塊,進行多輪原型設計、制樣與性能驗證,重點測試其眼圖、誤碼率、溫度適應性、抖動、長期可靠性等關鍵指標。
- 現場試驗與現網試點:與主流電信運營商、設備商合作,在真實的5G網絡環境中進行前傳(如eCPRI接口)和中回傳(如IPRAN/SPN網絡)場景下的試點部署。收集實際流量壓力下的性能數據、運維反饋,驗證技術的成熟度與適用性。
- 成本與產業化攻關:通過設計優化、工藝改進、供應鏈整合及規模化生產,持續降低光模塊的每比特成本。特別關注25G/50G光芯片的國產化替代與產能提升,保障供應鏈安全。
- 面向演進的預研:開展面向5G Advanced(如通感一體、XR業務)和6G潛在需求(太赫茲、空天地一體化)的光模塊技術前瞻性研究,包括更高速率(1.6T以上)、新型頻譜(O波段擴展、L波段利用)、光電融合等方向。
四、 結論與展望
下一代5G前傳與中回傳光模塊技術的研究,是一個集材料科學、芯片工藝、封裝技術、通信算法和網絡工程于一體的系統性工程。其發展路徑將遵循“更高速度、更低功耗、更小尺寸、更智能靈活、更低成本”的主線。通過持續的工程技術研究與試驗發展,突破核心芯片、先進封裝等瓶頸,不僅能為5G網絡的深度覆蓋和容量提升提供堅實支撐,也將為未來信息基礎設施的演進積累關鍵技術與產業能力,最終賦能千行百業的數字化轉型。