5G驱动，2019年光模块将迎来美好的春天
5G驱动，2019年光模块将迎来美好的春天
改革开放40年来，中国的经济发展取得了巨大成就，拥有了世界第二大经济体的地位。相比其他行业，通信行业在近20年的发展中取得的成绩有目共睹。光模块是光通信中最为基础也最为重要的核心器件之一，在中国通信行业飞速发展的20年中，几次大的发展机遇也促成了中国光模块产业从无到有、迅速壮大。
多次机遇促进光模块发展
第一次机遇出现在2001年左右，中国电信拆分形成了多家运营商共存的局面。为了在竞争中处于有利地位，大家纷纷开始在骨干层面进行基于10Gbit/s速率的DWDM密集波分复用系统的建设。虽然当时光模块仍以国外产品为主，但国内已经有不少光模块的企业在进行低速率模块的生产。
第二次机遇出现在2007年左右，3G移动通信的快速发展使得人们之间的通信不只局限于语音和短信，移动互联网的接入带来了流量的迫切需求。运营商在骨干层面需要将原来的10Gbit/s DWDM系统升级为40Gbit/s DWDM/OTN系统，这也对较高速率的光模块产生了巨大需求。
第三次机遇从2012年开始，数据中心兴起、大规模4G网络建设，移动回传网络开始从3G网络采用的TDM时分复用技术向基于分组技术的PTN/IPRAN网络转变。业务类型在3G的基础之上增加了视频业务这个流量杀手，从而迫使骨干网速率从40Gbit/s迈向100Gbit/s，随之产生更高速率光模块的需求。
现在业界正位于第四次机遇的起点，5G网络、超高速率互连的数据中心、通信云等层出不穷，光模块领域又迎来了新的春天。
预计到2023年，光模块市场将超过120亿美元
知名咨询机构LightCounting于2018年10月发布了近年来光模块整体市场规模的统计和预测。从图1可以看到，到2023年，光模块市场整体规模将达到120亿美元以上，相比2018年的60亿美元翻了一倍。从测算数据可以看出，5G（无线接入）和数据中心（以太网）这两大重点应用会推动光模块市场迎来更大规模的发展。
另一家知名预测机构Ovum对数据中心的100Gbit/s与更高速率的光收发模块市场也给出了最新的预测结果，如图2所示。从图2可以看出，到2023年，数据中心光模块将以100GbE和400GbE为主，附带少量的200GbE需求，总体市场规模将达到48亿美元左右。
光模块技术发展现状
光模块在通信行业触及到各个层面，下面从几个主流的应用场景描述一下当前光模块的技术发展现状。
·数据中心
基于单通道25Gbit/s NRZ速率的25GbE AOC、100GbE光模块仍占据主要市场份额，2km传输距离的CWDM4依然是100GbE模块中最重要的组成部分。
单通道50Gbit/s PAM4速率的解决方案已逐步开始市场应用，比如50GbE PAM4、2x200GbE FR4、400GbE FR8和LR8等。
基于单通道100Gbit/s PAM4速率的解决方案也有多种，比如100GbE PAM4、400GbE DR4、FR4和LR4等，但目前主要受限于交换芯片发布时间与光器件的技术成熟度，还处于小批量样品阶段。
·无线接入网
无线接入网对于光模块质量和性能的要求与数据中心的需求存在较大差异。由于较多基站要部署在恶劣的环境下，其对光模块能够正常工作的温度范围要求就很高，比如要达到工温（-40℃~+85℃）的指标，这势必会造成光模块成本增加。
对于4G网络，国内三大运营商在前传层面主要以光纤直驱为主，在部分光纤资源紧张的区域，这两年少量CWDM系统的建设产生了10Gbit/s CWDM模块的需求。CWDM系统之所以没有规模应用，主要还是因为维护管理体制和故障定位较难等方面的问题。
对于5G网络，笔者从前传、中传、回传各个层面分析。
前传：10Gbit/s前传光模块可用于5G基站建设的初期，业界目前还是倾向于采用25Gbit/s速率的前传模块。25Gbit/s BiDi单纤双向光模块在国内产业链已基本做好准备，目前业界正在推动25Gbit/s Tunable波长可调谐光模块国际和国内标准的制定，产品仍处于前期的研发阶段。对于采用DRAN部署模式的，也可以采用基于FP/DFB激光器的传输距离在300m以内的25Gbit/s光模块。经了解，海外市场对25Gbit/s CWDM、100Gbit/s 4WDM模块有一定需求。
中传（接入段）：基于收敛功能的前提下，5G初期接入段可采用10Gbit/s或25Gbit/s速率的光模块，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。
回传（核心汇聚层）：5G初期核心汇聚层可采用100Gbit/s速率的光模块，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。在城域层面，根据需要传输的距离不同，可采用100Gbit/s ER4、100Gbit/s PAM4或基于相干技术的100Gbit/s光模块。
·固定接入网
目前国内市场需求集中在10Gbit/s PON OLT/ONU，以及combo PON OLT侧的升级，1577nm 10Gbit/s EML激光器迎来市场需求的爆发点，降成本压力巨大。另外中国联通牵头的基于G.metro技术国际标准的发布（ITU-T G.698.4），也推动了国内WDM-PON技术在5G前传应用的研究，以及相关产品的开发。
困难犹存，需产业链携手解决
中兴事件让业界清楚认识到我们在芯片、模块领域存在的短板，但我们并不能因此而放弃自主研发。在近20年的发展中，我国在光模块领域取得了很多成绩，但在发展过程中依然会存在一些问题。下面依然从数据中心、无线接入网和固定接入网3个方面分别描述。
数据中心
随着通道速率从25Gbit/s向50Gbit/s、100Gbit/s演进，高带宽的激光器芯片实现越来越困难，多模VCSEL激光器与单模DFB激光器预期只能满足每通道50Gbit/s速率应用。在单通道100Gbit/s速率上，支持50Gbit/s（符号率）的EML激光器与硅光子技术将成为优选。当前因为硅光调制器的自身插损以及调制器与激光器、输出光纤的耦合损耗比较大，所以硅光子技术方案还局限于500m的短距传输。
无线接入网
从5G前传光模块对成本、功耗与宽温工作的要求看，25Gbit/s工业级DFB激光器应该是最佳的器件选择，但是全球范围内，掌握此核心激光器量产能力的厂家屈指可数。为改善供应链，国内设备/器件厂家充分利用10Gbit/s激光器产业链，在电域上通过超频、PAM4高阶调制等驱动技术实现了300m~15km传输。
在光纤资源缺乏的前传场景中，WDM-PON是有益补充，但是对无色光模块的低成本要求，和其技术实现的高难度之间，就存在较大矛盾。低成本波长可调激光器（DBR方案）或者恒定功率波长可调激光器+外调制器的集成方案可能是近期的实现路径。
固定接入网
在中国PON产业界联合建议下，ITU-TQ2组通过了50G PON标准立项。但最大挑战还在于物理层要兼容现有ODN网络，即支持29dB以上的链路光功率预算。目前国内的设备和器件厂家正在评估PAM4等信号调制技术、APD探测技术以及SOA集成器件对链路预算的改善。
未来1~2年，光模块发展趋势预测
技术上，光收发模块在向着高通道速率、大带宽密度、低成本功耗与小尺寸集成化的趋势发展。对于2019年光模块的应用进展，笔者可做如下预判。
数据中心
100GbE光模块市场仍是主流；同时，200GbE和400GbE光模块上量较快。在技术上，单通道100Gbit/s技术方案将更加细化，产业链上游逐步成熟，预计在2020年会迎来一定的市场机会。
无线接入网
前传采用的25Gbit/s灰光光模块，双纤双向模块预计会规模上量；单纤双向模块产品将会定型，预计2019年下半年开始部署。10Gbit/s可调光模块的国内产业链进一步改善，25Gbit/s彩光或25Gbit/s可调光模块会于2019年下半年少量试验应用，2020年开始部署。
中传采用的50Gbit/s PAM4光模块会快速起量，主要应用预计会在中国移动的SPN网络中。
回传光模块趋同于相干光调制解调方案，模块速率由100Gbit/s或200Gbit/s速率向400Gbit/s速率演进。
固定接入网
市场依然处在向10G PON切换的进程中，光模块发货数量下降，但销售额略有上升，整体预计会处于平稳期。
总结
根据业内统计，2011年中国光模块市场收入仅约为9.50亿美元，在全球光模块市场中的占比约为31.15%；2015年中国光模块市场收入己经发展至16.20亿美元，在全球光模块市场上的占比也上升至35.06%。预计到2020年，国内光模块市场收入将会达到26.80亿美元，在全球光模块市场上的占比也将上升至37.75%。
我国光模块产业从最初提供低速的低端产品，现已在中国重视投资技术研发和坚持自主创新的努力下，逐步成为光通信全球最大市场。随着5G的到来，中国光模块市场必将迎来更加美好的明