改革開放40年來，中國的經(jīng)濟發(fā)展取得了巨大成就，擁有了世界第二大經(jīng)濟體的地位。相比其他行業(yè)，通信行業(yè)在近20年的發(fā)展中取得的成績有目共睹。光模塊是光通信中最為基礎(chǔ)也最為重要的核心器件之一，在中國通信行業(yè)飛速發(fā)展的20年中，幾次大的發(fā)展機遇也促成了中國光模塊產(chǎn)業(yè)從無到有、迅速壯大。
多次機遇促進光模塊發(fā)展
第一次機遇出現(xiàn)在2001年左右，中國電信拆分形成了多家運營商共存的局面。為了在競爭中處于有利地位，大家紛紛開始在骨干層面進行基于10Gbit/s速率的DWDM密集波分復(fù)用系統(tǒng)的建設(shè)。雖然當時光模塊仍以國外產(chǎn)品為主，但國內(nèi)已經(jīng)有不少光模塊的企業(yè)在進行低速率模塊的生產(chǎn)。
第二次機遇出現(xiàn)在2007年左右，3G移動通信的快速發(fā)展使得人們之間的通信不只局限于語音和短信，移動互聯(lián)網(wǎng)的接入帶來了流量的迫切需求。運營商在骨干層面需要將原來的10Gbit/s DWDM系統(tǒng)升級為40Gbit/s DWDM/OTN系統(tǒng)，這也對較高速率的光模塊產(chǎn)生了巨大需求。
第三次機遇從2012年開始，數(shù)據(jù)中心興起、大規(guī)模4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，移動回傳網(wǎng)絡(luò)開始從3G網(wǎng)絡(luò)采用的TDM時分復(fù)用技術(shù)向基于分組技術(shù)的PTN/IPRAN網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變。業(yè)務(wù)類型在3G的基礎(chǔ)之上增加了視頻業(yè)務(wù)這個流量殺手，從而迫使骨干網(wǎng)速率從40Gbit/s邁向100Gbit/s，隨之產(chǎn)生更高速率光模塊的需求。
現(xiàn)在業(yè)界正位于第四次機遇的起點，5G網(wǎng)絡(luò)、超高速率互連的數(shù)據(jù)中心、通信云等層出不窮，光模塊領(lǐng)域又迎來了新的春天。
預(yù)計到2023年，光模塊市場將超過120億美元
知名咨詢機構(gòu)LightCounting于2018年10月發(fā)布了近年來光模塊整體市場規(guī)模的統(tǒng)計和預(yù)測。從圖1可以看到，到2023年，光模塊市場整體規(guī)模將達到120億美元以上，相比2018年的60億美元翻了一倍。從測算數(shù)據(jù)可以看出，5G(無線接入)和數(shù)據(jù)中心(以太網(wǎng))這兩大重點應(yīng)用會推動光模塊市場迎來更大規(guī)模的發(fā)展。
另一家知名預(yù)測機構(gòu)Ovum對數(shù)據(jù)中心的100Gbit/s與更高速率的光收發(fā)模塊市場也給出了最新的預(yù)測結(jié)果，如圖2所示。從圖2可以看出，到2023年，數(shù)據(jù)中心光模塊將以100GbE和400GbE為主，附帶少量的200GbE需求，總體市場規(guī)模將達到48億美元左右。
光模塊技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
光模塊在通信行業(yè)觸及到各個層面，下面從幾個主流的應(yīng)用場景描述一下當前光模塊的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。
·數(shù)據(jù)中心
基于單通道25Gbit/s NRZ速率的25GbE AOC、100GbE光模塊仍占據(jù)主要市場份額，2km傳輸距離的CWDM4依然是100GbE模塊中最重要的組成部分。
單通道50Gbit/s PAM4速率的解決方案已逐步開始市場應(yīng)用，比如50GbE PAM4、2x200GbE FR4、400GbE FR8和LR8等。
基于單通道100Gbit/s PAM4速率的解決方案也有多種，比如100GbE PAM4、400GbE DR4、FR4和LR4等，但目前主要受限于交換芯片發(fā)布時間與光器件的技術(shù)成熟度，還處于小批量樣品階段。
·無線接入網(wǎng)
無線接入網(wǎng)對于光模塊質(zhì)量和性能的要求與數(shù)據(jù)中心的需求存在較大差異。由于較多基站要部署在惡劣的環(huán)境下，其對光模塊能夠正常工作的溫度范圍要求就很高，比如要達到工溫(-40℃~+85℃)的指標，這勢必會造成光模塊成本增加。
對于4G網(wǎng)絡(luò)，國內(nèi)三大運營商在前傳層面主要以光纖直驅(qū)為主，在部分光纖資源緊張的區(qū)域，這兩年少量CWDM系統(tǒng)的建設(shè)產(chǎn)生了10Gbit/s CWDM模塊的需求。CWDM系統(tǒng)之所以沒有規(guī)模應(yīng)用，主要還是因為維護管理體制和故障定位較難等方面的問題。
對于5G網(wǎng)絡(luò)，筆者從前傳、中傳、回傳各個層面分析。
前傳：10Gbit/s前傳光模塊可用于5G基站建設(shè)的初期，業(yè)界目前還是傾向于采用25Gbit/s速率的前傳模塊。25Gbit/s BiDi單纖雙向光模塊在國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈已基本做好準備，目前業(yè)界正在推動25Gbit/s Tunable波長可調(diào)諧光模塊國際和國內(nèi)標準的制定，產(chǎn)品仍處于前期的研發(fā)階段。對于采用DRAN部署模式的，也可以采用基于FP/DFB激光器的傳輸距離在300m以內(nèi)的25Gbit/s光模塊。經(jīng)了解，海外市場對25Gbit/s CWDM、100Gbit/s 4WDM模塊有一定需求。
中傳(接入段)：基于收斂功能的前提下，5G初期接入段可采用10Gbit/s或25Gbit/s速率的光模塊，比如采用10G SR(300m、VCSEL激光器、MMF)、10Gbit/s或25Gbit/s LR(10km、DFB激光器、SMF)等。
回傳(核心匯聚層)：5G初期核心匯聚層可采用100Gbit/s速率的光模塊，比如采用100Gbit/s SR4(100m、VCSEL激光器、MMF-MPO)、100Gbit/s PSM4(500m、DFB激光器、SMF-MPO)或100Gbit/s CWDM4(2km、DFB激光器、SMF-LC)等。在城域?qū)用妫鶕?jù)需要傳輸?shù)木嚯x不同，可采用100Gbit/s ER4、100Gbit/s PAM4或基于相干技術(shù)的100Gbit/s光模塊。
·固定接入網(wǎng)
目前國內(nèi)市場需求集中在10Gbit/s PON OLT/ONU，以及combo PON OLT側(cè)的升級，1577nm 10Gbit/s EML激光器迎來市場需求的爆發(fā)點，降成本壓力巨大。另外中國聯(lián)通牽頭的基于G.metro技術(shù)國際標準的發(fā)布(ITU-T G.698.4)，也推動了國內(nèi)WDM-PON技術(shù)在5G前傳應(yīng)用的研究，以及相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)。
困難猶存，需產(chǎn)業(yè)鏈攜手解決
中興事件讓業(yè)界清楚認識到我們在芯片、模塊領(lǐng)域存在的短板，但我們并不能因此而放棄自主研發(fā)。在近20年的發(fā)展中，我國在光模塊領(lǐng)域取得了很多成績，但在發(fā)展過程中依然會存在一些問題。下面依然從數(shù)據(jù)中心、無線接入網(wǎng)和固定接入網(wǎng)3個方面分別描述。
·數(shù)據(jù)中心
隨著通道速率從25Gbit/s向50Gbit/s、100Gbit/s演進，高帶寬的激光器芯片實現(xiàn)越來越困難，多模VCSEL激光器與單模DFB激光器預(yù)期只能滿足每通道50Gbit/s速率應(yīng)用。在單通道100Gbit/s速率上，支持50Gbit/s(符號率)的EML激光器與硅光子技術(shù)將成為優(yōu)選。當前因為硅光調(diào)制器的自身插損以及調(diào)制器與激光器、輸出光纖的耦合損耗比較大，所以硅光子技術(shù)方案還局限于500m的短距傳輸。
·無線接入網(wǎng)
從5G前傳光模塊對成本、功耗與寬溫工作的要求看，25Gbit/s工業(yè)級DFB激光器應(yīng)該是最佳的器件選擇，但是全球范圍內(nèi)，掌握此核心激光器量產(chǎn)能力的廠家屈指可數(shù)。為改善供應(yīng)鏈，國內(nèi)設(shè)備/器件廠家充分利用10Gbit/s激光器產(chǎn)業(yè)鏈，在電域上通過超頻、PAM4高階調(diào)制等驅(qū)動技術(shù)實現(xiàn)了300m~15km傳輸。
在光纖資源缺乏的前傳場景中，WDM-PON是有益補充，但是對無色光模塊的低成本要求，和其技術(shù)實現(xiàn)的高難度之間，就存在較大矛盾。低成本波長可調(diào)激光器(DBR方案)或者恒定功率波長可調(diào)激光器+外調(diào)制器的集成方案可能是近期的實現(xiàn)路徑。
·固定接入網(wǎng)
在中國PON產(chǎn)業(yè)界聯(lián)合建議下，ITU-TQ2組通過了50G PON標準立項。但最大挑戰(zhàn)還在于物理層要兼容現(xiàn)有ODN網(wǎng)絡(luò)，即支持29dB以上的鏈路光功率預(yù)算。目前國內(nèi)的設(shè)備和器件廠家正在評估PAM4等信號調(diào)制技術(shù)、APD探測技術(shù)以及SOA集成器件對鏈路預(yù)算的改善。
未來1~2年，光模塊發(fā)展趨勢預(yù)測
技術(shù)上，光收發(fā)模塊在向著高通道速率、大帶寬密度、低成本功耗與小尺寸集成化的趨勢發(fā)展。對于2019年光模塊的應(yīng)用進展，筆者可做如下預(yù)判。
·數(shù)據(jù)中心
100GbE光模塊市場仍是主流;同時，200GbE和400GbE光模塊上量較快。在技術(shù)上，單通道100Gbit/s技術(shù)方案將更加細化，產(chǎn)業(yè)鏈上游逐步成熟，預(yù)計在2020年會迎來一定的市場機會。
·無線接入網(wǎng)
前傳采用的25Gbit/s灰光光模塊，雙纖雙向模塊預(yù)計會規(guī)模上量;單纖雙向模塊產(chǎn)品將會定型，預(yù)計2019年下半年開始部署。10Gbit/s可調(diào)光模塊的國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈進一步改善，25Gbit/s彩光或25Gbit/s可調(diào)光模塊會于2019年下半年少量試驗應(yīng)用，2020年開始部署。
中傳采用的50Gbit/s PAM4光模塊會快速起量，主要應(yīng)用預(yù)計會在中國移動的SPN網(wǎng)絡(luò)中。
回傳光模塊趨同于相干光調(diào)制解調(diào)方案，模塊速率由100Gbit/s或200Gbit/s速率向400Gbit/s速率演進。
·固定接入網(wǎng)
市場依然處在向10G PON切換的進程中，光模塊發(fā)貨數(shù)量下降，但銷售額略有上升，整體預(yù)計會處于平穩(wěn)期。總結(jié)
根據(jù)業(yè)內(nèi)統(tǒng)計，2011年中國光模塊市場收入僅約為9.50億美元，在全球光模塊市場中的占比約為31.15%;2015年中國光模塊市場收入己經(jīng)發(fā)展至16.20億美元，在全球光模塊市場上的占比也上升至35.06%。預(yù)計到2020年，國內(nèi)光模塊市場收入將會達到26.80億美元，在全球光模塊市場上的占比也將上升至37.75%。
我國光模塊產(chǎn)業(yè)從最初提供低速的低端產(chǎn)品，現(xiàn)已在中國重視投資技術(shù)研發(fā)和堅持自主創(chuàng)新的努力下，逐步成為光通信全球最大市場。隨著5G的到來，中國光模塊市場必將迎來更加美好的明天。
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