5G 베어러 네트워크: 광 모듈 기술 동향

2019년에는 5세대 이동통신(XNUMXG) 기술이 off상업용으로 출시되었습니다. 2020년에는 5G 네트워크와 데이터 센터가 새로운 인프라 구축의 핵심 콘텐츠로 파악되었습니다. 2021년에 세계는 애플리케이션 시나리오를 풍부하게 하기 위해 5G 네트워크와 기가비트 광 네트워크의 구축을 늘렸습니다. 5G, 데이터 센터, 전광 액세스 네트워크 및 기타 관련 기술과 산업이 빠르게 발전하고 있습니다. 광 모듈은 5G 베어러 네트워크, 데이터 센터 상호 연결 및 빛과 전기 사이의 양방향 변환을 실현하는 것이 주요 기능인 전광 액세스 네트워크의 기본 빌딩 블록입니다. 최근 몇 년 동안 속도가 점진적으로 증가함에 따라 시스템 장비의 광 모듈 비용이 계속 상승했습니다. 광 트랜시버는 다양한 응용 분야에서 높은 대역폭, 넓은 적용 범위, 낮은 비용 및 낮은 에너지 소비의 핵심 요소가 되었습니다.

• 광모듈용 5G 베어러 네트워크 요구 사항 

Front-haul 광 모듈은 BBU(Baseband Unit)와 RRU(Remote Radio Unit)/AAU(Active Antenna Unit)를 연결하는 CPRI 링크의 물리적 베어러의 중요한 부분입니다. 1.25G 시대의 2Gb/s에서 2.5G 시대의 3Gb/s, 그리고 6G 시대의 10/4Gb/s까지 베어러 광 모듈의 속도는 계속 진화했으며 전송 거리는 주로 다음을 포함합니다. 300m, 1.4km, 10km. 5G 시대의 도래와 함께 AAU 안테나의 수는 8T/8R에서 8T/64R로 64배 증가했으며 무선 인터페이스 대역폭은 20MHz에서 100MHz로 증가했습니다. CPRI 분할 방식이 유지되면 대역폭 요구 사항이 40Gb/s에서 10Gb/s로 400배 증가합니다.

대역폭 압력을 줄이기 위해 업계에서는 eCPRI 분할 솔루션을 채택하고 BBU의 일부를 AAU에 배포하여 BBU와 AAU 간의 대역폭 요구 사항을 줄입니다. 100MHz 무선 인터페이스 대역폭과 64T/64R을 예로 들면 5G 프런트 홀 단일 인터페이스에 대한 대역폭 요구 사항이 25Gb/s로 떨어졌으며 이는 성숙한 이더넷 산업 체인을 다중화하여 효과적으로 지원할 수 있습니다.

5G 배치 초기 단계에서 사업자는 장비실의 리소스 요구 사항을 줄이기 위해 BBU를 중앙 집중화하여 신속하고 확장 가능한 배치를 달성할 것입니다. 그러나 CRAN(중앙 집중식 무선 액세스 네트워크) 시나리오는 백본 섬유를 많이 사용합니다. 이에 따라 업계에서는 6파장 CWDM, 12파장 LWDM/MWDM, 48파장 DWDM 및 25Gb/s 기반의 기타 WDM 솔루션을 제안하여 광섬유 자원을 통합하고 절약합니다.

5G의 진화와 함께 후속 버전(Rel 17/Rel 18)은 10GHz 이하, 밀리미터파장 및 기타 주파수 대역에 초점을 맞출 것입니다. 안테나 수와 무선 인터페이스 대역폭이 더 증가하면 프런트 홀 대역폭 요구 사항을 충족하기 위해 50Gb/s 이상의 고속 광 모듈이 필요합니다.s.

그림 1: 5G 프런트홀 베어러 요구 사항의 진화

현재 업계에서는 프런트홀 산업 등급의 온도 요구 사항을 충족하고 1년 이상의 장기 신뢰성을 보장할 수 있는 차세대 프런트홀, 고속 및 비용 효율적인 광 모듈 솔루션을 적극적으로 탐색하고 있습니다. 잠재적 요구 사항은 표 XNUMX에 나와 있습니다.

율	폼 팩터	전송 거리	작동 파장	변조 형식	광칩	전기칩
50Gb / s	SFP56	300m	1310nm	PAM4	DFB+핀	CDR/DSP
	SFP56	2km	1310nm	PAM4	DFB+핀	CDR/DSP
	SFP56	10km	1310nm	PAM4	DFB+핀	CDR/DSP
	SFP56 양방향	10km / 15km	1270nm / 1330nm	PAM4	DFB+핀	CDR/DSP
	SFP56	10km	CWDM	PAM4	DFB+핀	CDR/DSP
	SFP56 조정 가능	10km / 20km	DWDM	PAM4	EML+핀	CDR/DSP
100Gb / s	DSFP	10km	1310nm	PAM4	EML+핀	DSP
	DSFP 양방향	10km	1310nm	PAM4	EML+핀	DSP
	SFP112	10km	1310nm	PAM4	EML+핀	DSP
	SFP112 양방향	10km	1310nm	PAM4	EML+핀	DSP
200Gb / s	QSFP56	10km	CWDM	PAM4	EML+핀	DSP
400Gb / s	QSFP112	10km	CWDM	PAM4	EML+핀	DSP

표 1: 새로운 5G 프런트홀에 대한 잠재적 수요 광학 모듈

5G 미드홀 및 백홀 액세스 계층은 일반적으로 링 토폴로지에 의해 지배되며 분산 무선 액세스 네트워크(DRAN)의 일반적인 대역폭 요구 사항은 다음과 같습니다. 10/25/50Gb/s; CRAN의 일반적인 대역폭 요구 사항은 50/100Gb/s입니다. 성숙도가 높아짐에 따라 400Gb / s 30/40km 광 모듈 기술 솔루션과 800Gb/s 광 모듈의 진화, 5G 미드홀 및 백홀 광 모듈의 다음 단계는 더 많은 새로운 솔루션 선택에 직면하게 될 것입니다.

율	폼 팩터	전송 거리	작동 파장	변조 형식	광칩	전기칩
400Gb / s	QSFP-DD	30km	LWDM(4파장)	PAM4	EML+APD	DSP
	QSFP-DD	40km	LWDM(8파장)	PAM4	EML+APD	DSP
800Gb / s	OSFP/QSFP-DD800	10km	LWDM(8파장)	PAM4	EML+핀	DSP

작업대 2: 새로운 5G에 대한 잠재적 수요 중순세게 끌기 및 백홀 광학 모듈

장기적으로 6G 기술 연구 및 애플리케이션 탐색의 지속적인 발전으로 6G 프런트홀 용량이 크게 향상될 수 있습니다. 6G는 클라우드 컴퓨팅, 빅 데이터 및 인공 지능과 더욱 통합될 것이며 초고대역폭 비디오 전송, 초저지연 산업용 IoT를 지원할 수 있는 무선 연결의 차원과 폭이 크게 향상될 것입니다. 사물 인터넷), 공기, 공간 및 지상의 상호 연결 및 기타 응용 시나리오.

시스템 성능은 1Tb/s 피크 속도와 1Gb/s 사용자 경험 속도, 0.1ms 초저 지연 및 고속 통신, 초고 스펙트럼 활용 등을 지원해야 합니다. 5G 무선 인터페이스의 피크 속도와 비교할 때, 6G 무선 액세스 네트워크의 전송 수요는 XNUMX배 증가할 수 있습니다. 공기, 공간, 지상의 통합과 같은 새로운 요구 사항을 고려하면 프런트홀 용량을 수십 배로 늘려야 할 것으로 예상됩니다.

• 5G 광모듈 기술 솔루션 및 표준화 핫스팟

25Gb/s 파장 가변 광 모듈

(1) C 밴드

25Gb/s C 대역 파장 가변 광 모듈의 애플리케이션 시나리오는 주로 5G 프런트홀을 기반으로 합니다. MAN(Metropolitan Area Network)의 적용 시나리오는 주로 10Gb/s 속도를 채택하고 있으며, 25Gb/s 속도로의 진화 가능성은 가까운 시일 내에 논의될 것입니다. 25Gb/s 파장 가변 광 모듈은 ITU-T G.698.4에 명시된 메시지 채널 메커니즘을 통해 실현될 수 있는 자동 파장 적응 기능을 지원해야 합니다.

분산 피드백(DFB) 어레이, 분산 브래그 반사(DBR), 디지털 슈퍼모드 DBR(DS DBR), 변조 격자 Y형 레이저(MG-Y 분기), 샘플링 격자 DBR을 포함하여 파장 조정 가능 기술에 대한 많은 구현 방식이 있습니다. (SG DBR), 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL), 외부 공동 레이저(ECL), 실리콘 광학 마이크로 링 공동 및 V자형 결합 공동 등. 이러한 방식은 주로 온도 제어, 전류 제어 및 기계적 제어. 기술적 비교는 표 3에 나와 있습니다.

레이저 유형	파장 튜닝 방식	통합 유형	파장 동조 범위
DFB	온도	모놀리식 통합	4-5nm
DFB 어레이	온도, 역학	모놀리식 또는 하이브리드 통합	> 30nm
모놀리식 DBR	온도와 전류	단순한 구조의 모놀리식 통합	약 10nm
MG-Y/SG-DBR/DS-DBR	current	모놀리식 통합	30nm
ECL	온도, 역학, 미세 역학 등	하이브리드 통합	> 30nm
MEMS-VCSEL	미세 역학	모놀리식 또는 하이브리드 통합	> 30nm
V자형 커플링 캐비티	current	모놀리식 통합	> 30nm

표 3: 파장 튜닝 기술 비교

파장 동조 범위 측면에서 전체 C-대역 조정 가능 및 협대역 C-대역 부분 조정 가능으로 나눌 수 있습니다. 변조 형식의 측면에서 EML과 MZM을 기반으로 한 가변 파장 기술로 나눌 수 있습니다. EA는 레이저 칩과의 단일 통합을 달성하는 것이 편리하며 MZM은 더 높은 소광비를 달성하고 유연하게 제어할 수 있습니다.

수신 방식에 따라 PIN 수신과 APD 수신으로 나눌 수 있습니다. 광 모듈 인터페이스 유형 측면에서 서로 다른 DWDM MUX/DEMUX를 사용하여 단일 광섬유 양방향 및 이중 광섬유 양방향으로 나눌 수 있습니다.

표준화 측면에서 25Gb/s DWDM 광 모듈 및 N×25Gb/s DWDM 시스템 기술 요구 사항에 대한 업계 표준은 이미 승인 과정에 있으며 곧 발표될 예정입니다. 국제 ITU-T G.698.x 표준 시리즈가 개정되고 있습니다. 현재 스펙트럼 이탈 및 리플과 같은 주요 매개변수에 대해 논의 중이며 2022년에 표준 개정이 완료될 것으로 예상됩니다.

응용 프로그램 배포 측면에서 Nokia, Ericsson, Samsung, HW, ZTE, II-VI 및 FiberMall과 같은 많은 제조업체는 25Gb/s C 대역 파장 가변 광 모듈의 샘플을 제공할 수 있습니다. 그만큼 25Gb / s 실험실에서 수집 및 테스트된 이러한 장비 제조업체의 프런트홀 DWDM은 현재 기존 네트워크에서 시범 운영되고 있습니다.

(2) O 밴드

25Gb/s O-band 파장 가변 광 모듈은 주로 5G fronthaul 필드. 12채널 파장 계획은 그림 2에 나와 있습니다. 간격 파장은 채널 1 ~ 6과 채널 7 ~ 12 사이에 예약되어 업링크 및 다운링크 채널의 격리에 도움이 됩니다. 400GHz 간격은 DWDM에서 사용하는 100/50GHz 간격에 비해 제조 난이도를 크게 줄일 수 있습니다.

그림 2: 12채널 O-대역 파장 계획

25Gb/s O-band 파장 가변 광 모듈의 기능 블록 다이어그램은 그림 3에 나와 있습니다. TOSA의 가변 광 구성 요소는 온도 안정화를 위해 TEC를 사용해야 하며 전류 크기를 변경하여 파장 출력을 조정해야 합니다. IP 및 IF에 적용되는 소스. PD1과 PD2는 해당 광전류를 감지하는 데 사용되며 PD1과 PD2의 비율을 안정화하여 출력 광 파장을 고정합니다. 광 모듈은 SFP28에 패키징할 수 있으며 광 인터페이스 유형은 필요에 따라 단일 파이버 양방향 또는 이중 파이버 양방향을 구현할 수 있습니다.

그림 3: 광학 모듈 기능 다이어그램

튜닝 가능한 광 모듈의 비용은 전체 비용의 80% 이상을 차지하는 튜닝 가능한 DBR 광학 부품에 주로 반영됩니다. BOX 폼 팩터와 TO 동축 폼 팩터로 나눌 수 있습니다. 전자는 더 나은 고주파 성능과 더 작은 크기를 갖지만 비용이 더 많이 듭니다. 광 변조기는 주로 EAM, MZM 및 DML 직접 변조를 포함합니다. 그 중 MZM이 비용이 가장 높고 EAM이 중간 비용입니다. DML 직접 변조는 비용이 가장 낮지만 고주파수 성능이 상대적으로 낮고 아이 다이어그램 품질과 전송 거리가 제한적입니다.

비용은 5G 프런트홀 분야에서 더 민감한 주제입니다. 응용 프로그램 조건을 충족한다는 전제하에 모듈에 대한 기술 솔루션 선택을 최적화하는 것이 매우 중요합니다. 예를 들어, 파장 계획 측면에서 O-대역 가변 DBR 광학 칩의 파장 조정 범위가 약 12나노미터인 것을 고려하면 400GHz 채널 간격을 가진 XNUMX개의 파장 채널을 사용하여 응용 시나리오와 제조 비용을 모두 고려할 수 있습니다. 또한 TO 동축 패키징을 사용하여 DML 직접 변조와 협력하여 비용을 절감할 수 있습니다.

25Gb/s O-band 파장가변형 광모듈은 파장가변형 레이저 칩의 개발 및 양산, 냉각 및 광학 구성 요소 디자인을 갖춘 소량 DBR 다이 패키징; 저비용 DBR 파장 잠금 및 광 전력 모니터링, 안정화, 튜닝 메커니즘; 파일럿 톤 메커니즘의 성능 및 신뢰성; 종단 간 광 모듈 간 통신 프로토콜의 개발 및 신뢰성; 산업 온도에서 파장 가변 광 모듈의 저전력 소비 및 방열 실현; 파장 가변 광 모듈을 위한 저비용 일괄 파장 교정, 테스트 및 생산 방법.

응용 탐색 측면에서 25Gb/s O-대역 파장 가변 광 모듈은 현재 설계 및 개발 단계에 있습니다. 2022년에 프로토타입과 α 샘플을 생산할 것으로 예상됩니다. 2023년에는 β 샘플을 생산하고 소규모 생산을 실현할 것입니다. 향후 구체적인 적용은 프런트홀 프로그램에 대한 업계의 종합적인 평가에 달려 있습니다.

• 요약

5G 건설의 지속적인 단계적 발전과 데이터 센터 및 전광 액세스 네트워크의 활발한 개발로 인해 광 모듈에 대한 새로운 애플리케이션 요구 사항이 계속 등장하고 5G 베어러 네트워크 광 모듈 기술이 점점 더 업계의 초점이 되었습니다. 5G 베어러 워킹 그룹은 계속해서 업계와의 협력을 강화하고 합의에 초점을 맞추며 5G 베어러 광 모듈의 핵심 기술에 대한 연구, 테스트 및 평가, 표준 및 사양 공식화를 공동으로 촉진하여 5G 베어러 광 모듈 기술 산업의 건전하고 질서 있는 발전과 5G 구축을 적극 지원합니다.