5Gベアラネットワーク：その光モジュール技術のトレンド

2019年、第5世代モバイル通信（XNUMXG）テクノロジーは off商業用に発売されました。 2020年には、5Gネットワ​​ークとデータセンターが新しいインフラストラクチャ構築の主要なコンテンツとして特定されました。 2021年、世界はアプリケーションシナリオを充実させるために、5Gネットワ​​ークとギガビット光ネットワークの構築を増やしました。 5G、データセンター、全光アクセスネットワーク、およびその他の関連技術と産業は急速に発展しています。 光モジュールは、5Gベアラネットワーク、データセンター相互接続、および光と電気の双方向変換を実現することを主な機能とする全光アクセスネットワークの基本的な構成要素です。 近年、速度が徐々に上がるにつれて、システム機器の光モジュールのコストは上昇し続けています。 光トランシーバーは、さまざまなアプリケーション分野で、高帯域幅、広いカバレッジ、低コスト、および低エネルギー消費の重要な要素になっています。

• 光モジュール用の5Gベアラネットワークの要件 

フロントホール光モジュールは、ベースバンドユニット（BBU）とリモート無線ユニット（RRU）/アクティブアンテナユニット（AAU）を接続するCPRIリンクの物理的なベアラの重要な部分です。 1.25G時代の2Gb/sから2.5G時代の3Gb/ s、そして6G時代の10/4 Gb / sまで、ベアラ光モジュールの速度は進化し続けており、伝送距離には主に次のものが含まれます。 300m、1.4km、10km。 5G時代の到来により、AAUアンテナの数は8T/8Rから8T/64Rに64倍に増加し、エアインターフェイスの帯域幅は20MHzから100MHzに増加しました。 CPRIセグメンテーションスキームが維持されている場合、帯域幅要件は40Gb/sから10Gb/sに400倍に増加します。

帯域幅のプレッシャーを軽減するために、業界はeCPRIセグメンテーションソリューションを採用し、BBUの一部をAAUに展開して、BBUとAAU間の帯域幅要件を削減します。 100MHzのエアインターフェイス帯域幅と64T/64Rを例にとると、5Gフロントホールシングルインターフェイスの帯域幅要件は25Gb / sに低下しました。これは、成熟したイーサネット業界チェーンを多重化することで効果的にサポートできます。

5G展開の初期段階では、オペレーターはBBUを一元化して機器室のリソース要件を削減し、それによって迅速かつ大規模な展開を実現します。 ただし、集中型無線アクセスネットワーク（CRAN）シナリオは、バックボーンファイバーの多くを消費します。 したがって、業界は、ファイバーリソースを収束および節約するために、6波長CWDM、12波長LWDM / MWDM、48波長DWDM、および25Gb/sに基づくその他のWDMソリューションを提案しています。

5Gの進化に伴い、後続のバージョン（Rel 17 / Rel 18）は、サブ10GHz、ミリメートル波長、およびその他の周波数帯域に焦点を合わせます。 アンテナの数とエアインターフェイスの帯域幅をさらに増やすと、フロントホールの帯域幅の要件を満たすために、50Gb/s以上のレートの光モジュールが必要になります。s.

図1：5Gフロントホールベアラ要件の進化

現在、業界は、フロントホール産業グレードの温度要件を満たし、1年以上の長期信頼性を保証できる、次世代のフロントホール、高速、および費用効果の高い光モジュールソリューションを積極的に模索しています。 潜在的な要件を表XNUMXに示します。

レート	フォームファクター	伝送距離	動作波長	変調フォーマット	光チップ	電気チップ
50Gb / s	SFP56	300m	1310nm	PAM4	DFB + PIN	CDR / DSP
	SFP56	2km	1310nm	PAM4	DFB + PIN	CDR / DSP
	SFP56	10km	1310nm	PAM4	DFB + PIN	CDR / DSP
	SFP56 バイディ	10km / 15km	1270nm / 1330nm	PAM4	DFB + PIN	CDR / DSP
	SFP56	10km	CWDM	PAM4	DFB + PIN	CDR / DSP
	調整可能なSFP56	10km / 20km	DWDM	PAM4	EML + PIN	CDR / DSP
100Gb / s	DSFP	10km	1310nm	PAM4	EML + PIN	DSP
	DSFP BIDI	10km	1310nm	PAM4	EML + PIN	DSP
	SFP112	10km	1310nm	PAM4	EML + PIN	DSP
	SFP112 バイディ	10km	1310nm	PAM4	EML + PIN	DSP
200Gb / s	QSFP56	10km	CWDM	PAM4	EML + PIN	DSP
400Gb / s	QSFP112	10km	CWDM	PAM4	EML + PIN	DSP

テーブル1: 新しい5Gフロントホールの潜在的な需要 光モジュール

5Gミッドホールおよびバックホールアクセスレイヤーは通常、リングトポロジによって支配され、分散型無線アクセスネットワーク（DRAN）の一般的な帯域幅要件は次のとおりです。10/ 25 / 50Gb/s。 CRANの一般的な帯域幅要件は50/100Gb/sです。 の成熟度の増加に伴い 400Gb / s 30/40km光モジュールの技術ソリューションと800Gb/s光モジュールの進化、5Gミッドホールおよびバックホール光モジュールの次の段階では、新しいソリューションの選択肢が増えます。

レート	フォームファクター	伝送距離	動作波長	変調フォーマット	光チップ	電気チップ
400Gb / s	QSFP-DD	30km	LWDM（4波長）	PAM4	EML + APD	DSP
	QSFP-DD	40km	LWDM（8波長）	PAM4	EML + APD	DSP
800Gb / s	OSFP / QSFP-DD800	10km	LWDM（8波長）	PAM4	EML + PIN	DSP

表 2: 新しい5Gの潜在的な需要 ミッド運ぶ とバックホール 光モジュール

長期的には、6G技術の研究とアプリケーションの調査が継続的に進歩することで、6Gのフロントホール容量が大幅に向上する可能性があります。 6Gは、クラウドコンピューティング、ビッグデータ、人工知能とさらに統合され、超高帯域幅のビデオ伝送、超低遅延の産業用IoTをサポートできるワイヤレス接続の次元と幅が大幅に改善されます（モノのインターネット）、空中、宇宙、地上の相互接続、およびその他のアプリケーションシナリオ。

システムパフォーマンスは、1Tb/sのピークレートと1Gb/sのユーザーエクスペリエンスレート、0.1msの超低遅延と高速通信、超高速スペクトル使用率などをサポートする必要があります。5Gエアインターフェイスのピークレートと比較して、 6Gワイヤレスアクセスネットワークの伝送需要はXNUMX倍に増加する可能性があります。 空域、空域、地上の統合などの新たな要件を考慮すると、フロントホールの容量を数十倍に増やす必要があると予想されます。

• 5G光モジュールの技術ソリューションと標準化のホットスポット

25Gb/s波長可変光モジュール

（1）Cバンド

25Gb / s Cバンド波長調整可能光モジュールのアプリケーションシナリオは、主に5Gフロントホールに基づいています。 メトロポリタンエリアネットワーク（MAN）のアプリケーションシナリオは主に10Gb / sレートを採用しており、25Gb/sレートへの進化の実現可能性については近い将来に議論されます。 25Gb / sの波長調整可能な光モジュールは、自動波長適応機能をサポートする必要があります。これは、ITU-TG.698.4で指定されているメッセージチャネルメカニズムによって実現できます。

分散フィードバック（DFB）アレイ、分散ブラッグ反射（DBR）、デジタルスーパーモードDBR（DS DBR）、変調グレーティングY型レーザー（MG-Yブランチ）、サンプリンググレーティングDBRなど、波長調整可能テクノロジーの実装スキームは多数あります。 （SG DBR）、垂直共振器面発光レーザー（VCSEL）、外部共振器レーザー（ECL）、シリコン光学マイクロリングキャビティ、V字型結合キャビティなど。これらの方式は、主に温度制御、電流制御、および機械的方式を採用しています。コントロール。 技術的な比較を表3に示します。

レーザーの種類	波長調整スキーム	統合タイプ	波長調整範囲
DFB	温度	モノリシック統合	4-5nm
DFBアレイ	温度、力学	モノリシックまたはハイブリッド統合	> 30nm
モノリシックDBR	温度と電流	シンプルな構造のモノリシック統合	約10nm
MG-Y / SG-DBR / DS-DBR	現在	モノリシック統合	30nm
ECL	温度、力学、マイクロメカニックスなど。	ハイブリッド統合	> 30nm
MEMS-VCSEL	マイクロメカニックス	モノリシックまたはハイブリッド統合	> 30nm
V字型カップリングキャビティ	現在	モノリシック統合	> 30nm

表3：波長調整技術の比較

波長調整範囲に関しては、完全なCバンド調整可能と狭帯域Cバンド部分調整可能に分けることができます。 変調フォーマットに関しては、EMLとMZMに基づく調整可能な波長技術に分けることができます。 EAはレーザーチップとのモノリシック統合を実現するのに便利であり、MZMはより高い消光比を実現し、柔軟に制御することができます。

受信方式に関しては、PIN受信とAPD受信に分けることができます。 光モジュールのインターフェイスタイプの側面では、異なるDWDM MUX / DEMUXを使用して、シングルファイバー双方向とデュアルファイバー双方向に分けることができます。

標準化に関しては、25Gb /sDWDM光モジュールおよびN×25Gb/sDWDMシステムの技術要件の業界標準はすでに承認プロセスにあり、まもなくリリースされる予定です。 国際的なITU-TG.698.xシリーズの規格が改訂されています。 現在、スペクトルエクスカーションやリップルなどの主要なパラメータが検討されており、標準改訂は2022年に完了する予定です。

アプリケーションの展開に関しては、Nokia、Ericsson、Samsung、HW、ZTE、II-VI、FiberMall などの多くのメーカーが、25Gb/s C バンド波長可変光モジュールのサンプルを提供できます。 の 25Gb / s ラボで収集およびテストされたこれらの機器メーカーのフロントホールDWDMは、現在、既存のネットワークで試験運用されています。

（2）Oバンド

25Gb / s Oバンド波長調整可能光モジュールは、主に 5Gフロントホール 分野。 12チャネルの波長計画を図2に示します。間隔波長は、チャネル1〜6とチャネル7〜12の間で予約されており、アップリンクチャネルとダウンリンクチャネルの分離に役立ちます。 400GHz間隔は、DWDMで使用される100/50GHz間隔と比較して製造の難しさを大幅に減らすことができます。

図2：12チャネルのOバンド波長計画

25Gb / s Oバンド波長調整可能光モジュールの機能ブロック図を図3に示します。TOSAの調整可能光コンポーネントは、温度安定化にTECを使用し、電流のサイズを変更して波長出力を調整する必要があります。ソースはIPとIFに適用されます。 PD1とPD2は、関連する光電流を検出するために使用され、出力光の波長は、PD1とPD2の比率を安定させることによってロックされます。 光モジュールはSFP28にパッケージ化でき、光インターフェイスタイプは必要に応じてシングルファイバ双方向またはデュアルファイバ双方向を実現できます。

図3：光モジュールの機能図

調整可能な光モジュールのコストは、主に調整可能なDBR光コンポーネントに反映され、全体のコストの80％以上を占めます。 BOXフォームファクタとTO同軸フォームファクタに分けることができます。 前者の方が高周波性能が良く、サイズも小さいですが、コストが高くなります。 光変調器には、主にEAM、MZM、およびDML直接変調が含まれます。 その中で、MZMが最もコストが高く、EAMが中程度のコストです。 DML直接変調はコストが最も低くなりますが、高周波性能は比較的低く、アイダイアグラムの品質と伝送距離は制限されます。

コストは、5Gフロントホール分野でより敏感なトピックです。 アプリケーション条件を満たすことを前提として、モジュールの技術ソリューションの選択を最適化することが非常に重要です。 たとえば、波長計画の観点から、Oバンド調整可能DBR光チップの波長調整範囲が約12ナノメートルであることを考慮すると、400GHzチャネル間隔のXNUMX波長チャネルを使用して、アプリケーションシナリオと製造コストの両方を考慮することができます。 さらに、TO同軸パッケージを使用してDML直接変調と連携し、コストを削減できます。

25Gb / sのOバンド波長可変光モジュールには、波長可変レーザーチップの開発や大量生産など、多くの技術的な問題が伴います。 冷却および光学部品設計を備えた少量のDBRダイパッケージ。 低コストのDBR波長ロックおよび光パワーモニタリング、安定化、チューニングメカニズム。 パイロットトーンメカニズムのパフォーマンスと信頼性。 エンドツーエンドの光モジュール間の通信プロトコルの開発と信頼性。 工業用温度での波長可変光モジュールの低消費電力と放熱の実現。 波長調整可能な光モジュールの低コストのバッチ波長校正、テスト、および製造方法。

アプリケーションの調査に関しては、25Gb /sOバンド波長調整可能光モジュールは現在設計および開発段階にあります。 2022年にプロトタイプとαサンプルを生産する予定です。2023年にβサンプルを生産し、小規模生産を実現します。将来の具体的な用途は、フロントホールプログラムの業界による包括的な評価に依存します。

• まとめ

段階的な5G構築の継続的な進歩と、データセンターおよび全光アクセスネットワークの活発な開発により、光モジュールの新しいアプリケーション要件が出現し続け、5Gベアラネットワーク光モジュールテクノロジが業界の焦点になりつつあります。 5Gベアラワーキンググループは、業界との協力を強化し、コンセンサスに焦点を合わせ、5Gベアラ光モジュールの主要技術の研究、テスト、評価、および標準と仕様の策定を共同で推進し、 5Gベアラ光モジュール技術産業の健全で秩序ある発展と5G建設を強力にサポートします。