Réseau porteur 5G : ses tendances technologiques en matière de modules optiques

En 2019, la technologie de communication mobile (5G) de cinquième génération a été offlancé ici à des fins commerciales. En 2020, les réseaux 5G et les centres de données ont été identifiés comme le contenu clé de la construction de nouvelles infrastructures. En 2021, le monde a multiplié la construction de réseaux 5G et de réseaux optiques gigabits pour enrichir les scénarios applicatifs. La 5G, les centres de données, les réseaux d'accès tout optique et d'autres technologies et industries connexes se développent rapidement. Les modules optiques sont les éléments de base des réseaux porteurs 5G, de l'interconnexion des centres de données et des réseaux d'accès tout optique dont la fonction principale est de réaliser la conversion bidirectionnelle entre la lumière et l'électricité. Ces dernières années, avec l'augmentation progressive de la vitesse, le coût des modules optiques dans l'équipement du système n'a cessé d'augmenter. Les émetteurs-récepteurs optiques sont devenus l'élément clé d'une bande passante élevée, d'une large couverture, d'un faible coût et d'une faible consommation d'énergie dans divers domaines d'application.

• Exigences du réseau porteur 5G pour les modules optiques 

Le module optique frontal est une partie importante du support physique de la liaison CPRI reliant l'unité de bande de base (BBU) et l'unité radio distante (RRU)/l'unité d'antenne active (AAU). De 1.25 Gb/s à l'ère 2G à 2.5 Gb/s à l'ère 3G, puis à 6/10 Gb/s à l'ère 4G, le débit des modules optiques porteurs n'a cessé d'évoluer, et les distances de transmission comprennent principalement 300 m, 1.4 km et 10 km. Avec l'avènement de l'ère 5G, le nombre d'antennes AAU a été multiplié par 8, passant de 8T/8R à 64T/64R, et la bande passante de l'interface radio est passée de 20 MHz à 100 MHz. Si le schéma de segmentation CPRI est maintenu, les besoins en bande passante seront multipliés par 40, passant de 10 Gb/s à 400 Gb/s.

Afin de réduire la pression sur la bande passante, l'industrie adopte la solution de segmentation eCPRI et déploie une partie de la BBU sur l'AAU, réduisant ainsi les besoins en bande passante entre la BBU et l'AAU. En prenant comme exemple la bande passante de l'interface hertzienne de 100 MHz et 64T/64R, les besoins en bande passante pour une interface unique frontale 5G sont tombés à 25 Gb/s, ce qui peut être efficacement pris en charge en multiplexant la chaîne industrielle Ethernet mature.

Au début du déploiement de la 5G, les opérateurs centraliseront les BBU pour réduire les besoins en ressources des salles d'équipement, réalisant ainsi un déploiement rapide et à grande échelle. Cependant, le scénario du réseau d'accès radio centralisé (CRAN) consomme une grande partie de la fibre dorsale. L'industrie propose donc des solutions CWDM à 6 longueurs d'onde, LWDM/MWDM à 12 longueurs d'onde, DWDM à 48 longueurs d'onde et d'autres solutions WDM basées sur 25 Gb/s pour converger et économiser les ressources en fibre.

Avec l'évolution de la 5G, les versions ultérieures (Rel 17/Rel 18) se concentreront sur les sous-10 GHz, les longueurs d'onde millimétriques et d'autres bandes de fréquences. Si le nombre d'antennes et la bande passante de l'interface hertzienne sont encore augmentés, des modules optiques de 50 Gb/s et à débit supérieur seront nécessaires pour répondre aux exigences de bande passante frontales.

Figure 1 : Évolution des exigences du support de liaison 5G

À l'heure actuelle, l'industrie explore activement les solutions de modules optiques fronthaul, haute vitesse et rentables de nouvelle génération qui peuvent répondre aux exigences de température de qualité industrielle fronthaul et garantir une fiabilité à long terme pendant plus de dix ans. Les exigences potentielles sont indiquées dans le tableau 1.

Tableau 1: Demande potentielle de nouveaux fronthaul 5G modules optiques

Les couches d'accès midhaul et backhaul 5G sont généralement dominées par une topologie en anneau, et les exigences de bande passante typiques du réseau d'accès radio distribué (DRAN) sont : 10/25/50 Gb/s ; Les exigences de bande passante typiques du CRAN sont de 50/100 Gb/s. Avec la maturité croissante de 400Gb / s Solutions techniques de modules optiques 30/40 km et évolution des modules optiques 800 Gb/s, la prochaine étape des modules optiques 5G midhaul et backhaul sera confrontée à davantage de choix de nouvelles solutions.

lampe de table 2: Demande potentielle pour la nouvelle 5G milieubutin et backhaul modules optiques

À plus long terme, avec les progrès continus de la recherche technologique 6G et de l'exploration des applications, la capacité de liaison 6G pourrait être considérablement améliorée. La 6G sera davantage intégrée au cloud computing, au big data et à l'intelligence artificielle, et il y aura une énorme amélioration de la dimension et de l'étendue des connexions sans fil, qui peuvent prendre en charge la transmission vidéo à ultra-haute bande passante, l'IoT industriel à latence ultra-faible ( Internet des objets), l'interconnexion de l'air, de l'espace et du sol, et d'autres scénarios d'application.

Les performances du système doivent prendre en charge un taux de pointe de 1 To/s et un taux d'expérience utilisateur de 1 Go/s, une latence ultra-faible de 0.1 ms et une communication à haut débit, une utilisation du spectre ultra-élevée, etc. Par rapport au taux de pointe de l'interface aérienne 5G, le la demande de transmission du réseau d'accès sans fil 6G peut être multipliée par cent. Compte tenu de nouvelles exigences telles que l'intégration de l'air, de l'espace et du sol, on s'attend à ce que la capacité de transport frontal doive être augmentée des dizaines de fois.

• Solutions techniques de modules optiques 5G et hotspots de standardisation

Module optique accordable en longueur d'onde 25 Gb/s

(1) bande C

Les scénarios d'application des modules optiques accordables en longueur d'onde en bande C 25 Gb/s sont principalement basés sur le fronthaul 5G. Les scénarios d'application du réseau métropolitain (MAN) adoptent principalement un débit de 10Gb/s, et la faisabilité d'une évolution vers un débit de 25Gb/s sera discutée dans un futur proche. Le module optique accordable en longueur d'onde de 25 Gb/s doit prendre en charge la fonction d'adaptation automatique de longueur d'onde, qui peut être réalisée via le mécanisme de canal de message spécifié dans ITU-T G.698.4.

Il existe de nombreux schémas de mise en œuvre pour la technologie accordable en longueur d'onde, y compris le réseau de rétroaction distribuée (DFB), la réflexion de Bragg distribuée (DBR), le DBR supermode numérique (DS DBR), le laser de type Y à réseau modulé (branche MG-Y), le réseau d'échantillonnage DBR (SG DBR), laser à émission de surface à cavité verticale (VCSEL), laser à cavité externe (ECL), cavité micro-anneau optique en silicium et cavité de couplage en forme de V, etc. Ces schémas adoptent principalement le contrôle de la température, le contrôle du courant et la mécanique contrôler. La comparaison technique est présentée dans le tableau 3.

Tableau 3 : Comparaison des techniques d'accord de longueur d'onde

En termes de plage d'accord de longueur d'onde, elle peut être divisée en une bande C entièrement réglable et une bande C à bande étroite partiellement réglable; En termes de format de modulation, il peut être divisé en technologie de longueur d'onde accordable basée sur EML et MZM. Il est pratique pour EA de réaliser une intégration monolithique avec une puce laser, et MZM peut atteindre un taux d'extinction plus élevé et peut être contrôlé de manière flexible.

En termes de schéma de réception, il peut être divisé en réception PIN et réception APD ; Dans l'aspect des types d'interface de module optique, il peut être divisé en bidirectionnel à fibre unique et bidirectionnel à double fibre, en utilisant différents DWDM MUX/DEMUX.

En termes de normalisation, les normes de l'industrie pour les modules optiques DWDM 25 Gb/s et les exigences techniques du système DWDM N×25 Gb/s sont déjà en cours d'approbation et seront bientôt publiées. La série de normes internationales ITU-T G.698.x est en cours de révision. À l'heure actuelle, les principaux paramètres tels que l'excursion du spectre et les ondulations sont en cours de discussion, et la révision de la norme devrait être achevée en 2022.

En termes de déploiement d'applications, de nombreux fabricants tels que Nokia, Ericsson, Samsung, HW, ZTE, II-VI et FiberMall peuvent fournir des échantillons de modules optiques accordables en longueur d'onde en bande C 25 Gb/s. Le 25Gb / s Les DWDM front-haul de ces équipementiers collectés et testés dans les laboratoires sont actuellement en phase pilote sur le réseau existant.

(2) bande O

Le module optique accordable en longueur d'onde en bande O 25 Gb/s est principalement utilisé dans le 5G fronthaul domaine. La planification des longueurs d'onde à 12 canaux est illustrée à la figure 2. Les longueurs d'onde d'intervalle sont réservées entre les canaux 1 ~ 6 et les canaux 7 ~ 12, ce qui favorise l'isolation des canaux de liaison montante et descendante. L'espacement de 400 GHz peut réduire considérablement la difficulté de fabrication par rapport à l'espacement de 100/50 GHz utilisé par DWDM.

Figure 2 : Planification de la longueur d'onde de la bande O à 12 canaux

Le schéma fonctionnel du module optique accordable en longueur d'onde en bande O de 25 Gb/s est illustré à la figure 3. Le composant optique accordable du TOSA doit utiliser le TEC pour la stabilisation de la température et ajuster la sortie de longueur d'onde en modifiant la taille du courant. source appliquée à IP et IF. PD1 et PD2 sont utilisés pour détecter le photocourant pertinent, et la longueur d'onde de la lumière de sortie est verrouillée en stabilisant le rapport de PD1 et PD2. Le module optique peut être emballé dans SFP28, et le type d'interface optique peut réaliser une bidirectionnelle à fibre unique ou bidirectionnelle à double fibre selon les besoins.

Figure 3 : Schéma fonctionnel du module optique

Le coût du module optique accordable se reflète principalement dans le composant optique DBR accordable, qui représente plus de 80 % du coût total. Il peut être divisé en facteur de forme BOX et facteur de forme coaxial TO. Le premier a de meilleures performances haute fréquence et une taille plus petite, mais un coût plus élevé. Les modulateurs optiques comprennent principalement la modulation directe EAM, MZM et DML. Parmi eux, MZM a le coût le plus élevé et EAM a le coût moyen. La modulation directe DML a le coût le plus bas, mais ses performances à haute fréquence sont relativement médiocres, et la qualité du diagramme de l'œil et la distance de transmission sont limitées.

Le coût est un sujet plus sensible dans le domaine du fronthaul 5G. Sous réserve de remplir les conditions d'application, il est extrêmement important d'optimiser la sélection des solutions techniques pour le module. Par exemple, en termes de planification de la longueur d'onde, étant donné que la plage de réglage de la longueur d'onde de la puce optique DBR accordable en bande O est d'environ dix nanomètres, 12 canaux de longueur d'onde avec un espacement des canaux de 400 GHz peuvent être utilisés pour prendre en compte à la fois les scénarios d'application et les coûts de fabrication. De plus, le conditionnement coaxial TO peut être utilisé pour coopérer avec la modulation directe DML afin de réduire les coûts.

Le module optique accordable en longueur d'onde en bande O 25Gb/s implique de nombreuses difficultés techniques, telles que le développement et la production de masse de puces laser accordables en longueur d'onde ; emballage de matrice DBR à petit volume avec refroidissement et conception de composants optiques ; verrouillage de longueur d'onde DBR à faible coût et mécanisme de surveillance, de stabilisation et de réglage de la puissance optique ; la performance et la fiabilité du mécanisme de tonalité pilote ; le développement et la fiabilité du protocole de communication entre modules optiques de bout en bout ; la réalisation d'une faible consommation d'énergie et d'une dissipation thermique du module optique accordable en longueur d'onde à température industrielle ; méthodes d'étalonnage, de test et de production de longueur d'onde par lots à faible coût pour les modules optiques accordables en longueur d'onde.

En termes d'exploration d'applications, le module optique accordable en longueur d'onde en bande O de 25 Gb/s est actuellement en phase de conception et de développement. Il devrait produire des prototypes et des échantillons α en 2022. Il produira des échantillons β et réalisera sa production à petite échelle en 2023. L'application spécifique à l'avenir dépendra de l'évaluation complète du programme fronthaul par l'industrie.

• Résumé

Avec l'avancement continu de la construction 5G par étapes et le développement vigoureux des centres de données et des réseaux d'accès tout optique, de nouvelles exigences d'application pour les modules optiques continuent d'émerger, et la technologie des modules optiques de réseau porteur 5G est de plus en plus au centre de l'industrie. Le groupe de travail sur les supports 5G continuera de renforcer la coopération avec l'industrie, de se concentrer sur le consensus et de promouvoir conjointement la recherche, les tests et l'évaluation des technologies clés pour les modules optiques des supports 5G, ainsi que la formulation de normes et de spécifications, afin de faciliter la développement sain et ordonné de l'industrie de la technologie des modules optiques porteurs 5G et soutient fortement la construction 5G.