5G時(shí)代，光模塊產(chǎn)業(yè)大有可為

  ICC訊 光模塊是光通信的核心部件，主要完成光電轉(zhuǎn)換，發(fā)送端把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，接收端把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光模塊作為核心器件被廣泛應(yīng)用于通信設(shè)備中，是5G實(shí)現(xiàn)高帶寬、低時(shí)延、廣連接的關(guān)鍵。5G的建設(shè)需要數(shù)千萬(wàn)個(gè)高性能、高速率的光模塊支撐，5G的加速商用將帶動(dòng)我國(guó)光模塊產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

  5G時(shí)代，我國(guó)光模塊產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

  5G對(duì)光模塊速率需求提升，25/50/100Gb/s光模塊成前中回傳主流需求

  為了滿足大帶寬、低延時(shí)、廣覆蓋的要求，5G無(wú)線接入網(wǎng)(RAN)架構(gòu)從4G的基帶處理單元(BBU)、射頻拉遠(yuǎn)單元(RRU)兩級(jí)結(jié)構(gòu)演進(jìn)為集中單元(CU)、分布單元(DU)和有源天線單元(AAU)三級(jí)結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也由前傳和回傳網(wǎng)絡(luò)分解為前傳、中傳和回傳網(wǎng)絡(luò)。5G的新型業(yè)務(wù)特性和更高指標(biāo)要求對(duì)前傳、中傳和回傳光模塊的速率也提出了更高要求。

  5G前傳對(duì)彩光模塊需求增加，彩光模塊方案呈現(xiàn)多樣化

  集中式無(wú)線接入網(wǎng)(CRAN)未來(lái)將成為我國(guó)運(yùn)營(yíng)商5G網(wǎng)絡(luò)的主流建設(shè)模式，由于C-RAN部署模式下前傳網(wǎng)絡(luò)需要消耗較多的光纖資源，光纖直驅(qū)的應(yīng)用場(chǎng)景大大受限，基于WDM技術(shù)的前傳方案成了運(yùn)營(yíng)商的共識(shí)。WDM方案使用不同波長(zhǎng)的彩光模塊發(fā)送信號(hào)，再通過(guò)波分復(fù)用器將多個(gè)信號(hào)復(fù)用到一根光纖中進(jìn)行傳輸，從而能夠節(jié)約大量的光纖資源。隨著前傳WDM方案的逐步實(shí)施，運(yùn)營(yíng)商對(duì)彩光模塊的需求將不斷增加。

  5G前傳半有源WDM優(yōu)勢(shì)明顯，光模塊光層調(diào)頂技術(shù)實(shí)現(xiàn)OAM

  在5G前傳的WDM場(chǎng)景中，無(wú)源WDM方案通過(guò)在遠(yuǎn)端AAU側(cè)和局端DU側(cè)部署無(wú)源波分器件進(jìn)行波長(zhǎng)復(fù)用和解復(fù)用，部署簡(jiǎn)單，但缺乏保護(hù)機(jī)制和管控手段，存在無(wú)故障管理、維護(hù)難度較大等問(wèn)題。有源WDM方案通過(guò)在遠(yuǎn)端AAU側(cè)和局端DU側(cè)部署有源WDM設(shè)備進(jìn)行電層或/和光層復(fù)用，支持管控和保護(hù)功能，但是成本高昂，且遠(yuǎn)端供電和部署受限。半有源WDM方案在遠(yuǎn)端AAU側(cè)部署無(wú)源波分器件，在局端DU側(cè)部署有源WDM設(shè)備，通過(guò)彩光模塊光層調(diào)頂技術(shù)實(shí)現(xiàn)操作管理維護(hù)(OAM)機(jī)制，滿足業(yè)務(wù)性能監(jiān)測(cè)、通信故障定位等要求，能夠以較低成本解決光纖資源和維護(hù)管理等問(wèn)題。

  5G對(duì)光模塊高性能需求將促進(jìn)硅光技術(shù)的應(yīng)用

  前傳光模塊工作在室外惡劣環(huán)境中，需要滿足- 40℃～85℃的工業(yè)溫度使用要求。同時(shí)，由于5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)從CPRI向eCPRI演進(jìn)，BBU端功能向RRU端進(jìn)行部分遷移，使RRU端功耗增大，需要光模塊具有更強(qiáng)的耐熱能力，極端環(huán)境下溫度可能高達(dá)90℃～95℃，“硅光調(diào)制器﹢異質(zhì)激光器”在這種高溫環(huán)境中存在用武之地。

  光模塊與通信設(shè)備逐漸解耦，光模塊產(chǎn)業(yè)更加開(kāi)放

  出于對(duì)系統(tǒng)兼容性的考慮，通信設(shè)備廠商往往將光模塊與通信設(shè)備打包一起提供給運(yùn)營(yíng)商，運(yùn)營(yíng)商只能被動(dòng)接受設(shè)備廠商提供的光模塊類型和技術(shù)方案。隨著5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和部署變得更加復(fù)雜和多樣化，技術(shù)方案的自主可控和降低成本的壓力將驅(qū)使運(yùn)營(yíng)商逐漸進(jìn)行光模塊與通信設(shè)備的解耦。

  5G時(shí)代，我國(guó)光模塊產(chǎn)業(yè)存在的問(wèn)題及發(fā)展建議

  存在的問(wèn)題

  近年來(lái)，由于國(guó)內(nèi)政策驅(qū)動(dòng)、市場(chǎng)牽引以及新興應(yīng)用的需求，我國(guó)光模塊市場(chǎng)保持著快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，我國(guó)光模塊廠商開(kāi)始逐漸主導(dǎo)全球市場(chǎng)，但是我國(guó)光模塊產(chǎn)業(yè)仍然存在一些亟須解決的問(wèn)題。

  高端芯片自給能力有限，國(guó)產(chǎn)化亟待加速

  目前，我國(guó)光通信產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展不均衡，國(guó)內(nèi)企業(yè)在光模塊層面能夠提供大部分產(chǎn)品，但位于光模塊產(chǎn)業(yè)鏈上游的芯片環(huán)節(jié)與國(guó)外存在較大差距，已成為制約我國(guó)光通信產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)足發(fā)展的瓶頸。5G光模塊使用的是25Gb/s及以上速率的光電芯片，其中25Gb/s光芯片國(guó)產(chǎn)化率較低，大多依賴進(jìn)口，而25Gb/s電芯片國(guó)產(chǎn)能力幾乎空白，基本依賴進(jìn)口。

  5G光模塊種類繁多，有待聚焦共識(shí)

  5G前傳、中傳和回傳對(duì)光模塊具有差異化需求，但是目前針對(duì)工作環(huán)境、傳輸速率、傳輸距離等不同應(yīng)用場(chǎng)景下的光模塊出現(xiàn)了多種技術(shù)方案，涉及的模塊封裝、工作波長(zhǎng)、調(diào)制格式及使用的光電芯片各不相同，導(dǎo)致光模塊種類繁多。如前傳25Gb/s雙纖雙向灰光模塊就有25G和10G兩種波特率的激光器芯片的實(shí)現(xiàn)方案，其中10G波特率方案業(yè)界又主要采用超頻、PAM4等高階調(diào)制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，而超頻方案又包含F(xiàn)P和DFB兩種實(shí)現(xiàn)方式。過(guò)多的產(chǎn)品類型將導(dǎo)致光模塊市場(chǎng)碎片化，造成產(chǎn)業(yè)鏈研發(fā)、制造等資源浪費(fèi)。

  5G光模塊成本偏高，不利于5G承載建設(shè)

  在5G承載網(wǎng)建設(shè)中，前傳光模塊存在數(shù)千萬(wàn)量級(jí)的需求，總體成本非常高。回傳光模塊需求量雖然沒(méi)有前傳光模塊大，但其速率高、技術(shù)復(fù)雜，單個(gè)模塊成本較高，部分光模塊成本在系統(tǒng)設(shè)備中的占比甚至達(dá)到50%～70%。光模塊的成本直接影響到網(wǎng)絡(luò)總體建設(shè)成本。目前，5G光模塊較高的成本已成為影響5G承載發(fā)展的不利因素，降低光模塊成本迫在眉睫。

  發(fā)展建議

  基于我國(guó)光模塊產(chǎn)業(yè)所處的發(fā)展環(huán)境以及面臨的機(jī)遇和問(wèn)題，提出以下發(fā)展建議。

  營(yíng)造良好的政策環(huán)境，加速核心芯片國(guó)產(chǎn)化

  針對(duì)光模塊核心芯片等薄弱領(lǐng)域，政府制定相關(guān)產(chǎn)品發(fā)展規(guī)劃和政策措施，形成政策層面的促進(jìn)和引領(lǐng)作用。優(yōu)化創(chuàng)新扶持政策，營(yíng)造良好的創(chuàng)新環(huán)境，鼓勵(lì)企業(yè)參與芯片、元器件等關(guān)鍵核心技術(shù)重大創(chuàng)新活動(dòng)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈上下游、科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展合作研究。鼓勵(lì)企業(yè)加強(qiáng)對(duì)外交流，開(kāi)展國(guó)際技術(shù)創(chuàng)新合作。降低企業(yè)創(chuàng)新成本，增強(qiáng)企業(yè)投入創(chuàng)新的能力和動(dòng)力。制定和落實(shí)人才激勵(lì)政策，激發(fā)人才創(chuàng)新的積極性和創(chuàng)新潛能。

  技術(shù)方案聚焦共識(shí)，促進(jìn)光模塊產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展

  為促進(jìn)光模塊產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展，5G光模塊種類應(yīng)盡可能聚焦收斂。通過(guò)對(duì)技術(shù)方案聚焦共識(shí)、求同存異，加大對(duì)重點(diǎn)技術(shù)方案的投入和扶持，形成規(guī)模效應(yīng)來(lái)促進(jìn)市場(chǎng)發(fā)展。同時(shí)，業(yè)界應(yīng)協(xié)同推進(jìn)5G光模塊共性技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化方案和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等相關(guān)研究工作，共同促進(jìn)5G光模塊技術(shù)與產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

  多措施降低光模塊成本，加速5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)模部署

  低成本的光模塊有利于促進(jìn)5G的大規(guī)模部署，可以采取以下幾種措施降低光模塊成本。第一，產(chǎn)業(yè)鏈共享，如充分利用數(shù)據(jù)中心，用光模塊的成熟技術(shù)方案與產(chǎn)業(yè)資源以降低5G光模塊成本。第二，技術(shù)創(chuàng)新，如使用滿足工業(yè)級(jí)溫度要求的激光器替代滿足商業(yè)級(jí)溫度要求的激光器，從而減少溫控器件以降低光模塊成本;如使用硅光集成替代傳統(tǒng)分立集成以減少分立器件的數(shù)量和封裝次數(shù)，從而降低光模塊成本。第三，國(guó)產(chǎn)化替代，高性能的光電芯片制造技術(shù)由國(guó)外少數(shù)領(lǐng)先企業(yè)掌握，其高昂的價(jià)格制約著5G光模塊的成本下降，光電芯片的國(guó)產(chǎn)化將有利于降低5G光模塊的成本。

  中國(guó)信息通信研究院泰爾系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室 劉德強(qiáng) 韓鏑 王晨