2019年我国正式启动第五代移动通信（5G）技术商用，2020年5G网络、数据中心等又被确定为新型基础设施建设重点内容，2021年政府工作报告明确写入“加大5G网络和千兆光网建设力度，丰富应用场景”，5G、数据中心和全光接入网络等相关技术与产业加速发展。光模块是5G承载网络、数据中心互连和全光接入网络的基础构成单元，主要完成光电/电光转换功能，近年来随着速率的逐渐提升，其在系统设备中的成本占比不断攀升，已成为各应用领域高带宽、广覆盖、低成本和低能耗的关键要素。5G承载、数据中心和全光接入网络在速率容量、传输距离、工作环境、光纤资源等方面对光模块提出了差异化要求，业界存在多种光模块解决方案。2019年和2020年，IMT-2020(5G)推进组5G承载工作组分别发布了两版《5G承载光模块》，对5G承载光模块进行了详细研究，其中部分方案已逐步成熟并走向规模应用。随着5G建设的分阶段持续推进、以及数据中心和全光接入网络的蓬勃发展，涌现出新型的光模块应用需求，并逐步成为业界关注的焦点。

　　本结合5G承载、数据中心、以及全光接入网络对光模块的核心需求，研究技术方案和产业发展的基础共性问题，对新型光模块及核心光电子芯片的产业化能力进行评估验证并提出后续发展建议，推动5G承载、数据中心和全光接入光模块产业链协同有序发展。

　　前传光模块是连接基带处理单元（BBU）与远端射频单元（RRU）/有源天线处理单元（AAU）CPRI链路物理承载的重要构成部分。从2G时代的1.25Gb/s、到3G时代的2.5Gb/s、再到4G时代的6/10Gb/s，承载光模块速率不断演进，传输距离主要包括300m、1.4km和10km等。随着5G时代的到来，AAU天线MHz，若保持CPRI切分方案，带宽需求将出现10Gb/s至400Gb/s的40倍提升。为减轻带宽压力，业界采用eCPRI切分方案，将部分BBU基带处理部署在AAU上，从而降低BBU与AAU之间的带宽需求。以100MHz空口带宽、64T/64R为例，5G前传单接口带宽需求下降至25Gb/s量级，可复用以太网成熟产业链来有效支撑。

　　5G部署初期，三大运营商将BBU集中，降低机房资源需求，从而实现快速规模部署。但集中式无线接入网（CRAN）场景对主干光纤消耗较大，业界相应提出基于25Gb/s的6波CWDM、12波LWDM/MWDM、48波DWDM等波分复用方案以收敛节约光纤资源。随着5G演进，后续版本（Rel17/Rel 18）的重点将在Sub 10GHz、毫米波等频段上展开，若天线数和空口带宽进一步增加，将需要50Gb/s及更高速率的光模块来满足前传带宽需求。

　　目前，业界正在积极探索高速率、高性价比、满足前传工业级温度要求、并可保证十年以上长期可靠的下一代前传光模块解决方案，潜在需求如表1所示。

　　5 G 中回传接入层通常以环形拓扑为主， 分布式无线接入网（ D R A N ） 典型带宽需求为10/25/50Gb/s，CRAN典型带宽需求为50/100Gb/s。随着400Gb/s 30/40km光模块技术方案的日益成熟和800Gb/s光模块的演进升级，下一阶段5G中回传光模块将面临更多新型方案的选择。

　　更长远来看，随着6G技术研究和应用探索的不断推进，6G前传容量可能出现大幅度提升。根据《6G无线G将与云计算、大数据和人工智能进一步集成，在无线连接维度与广度方面存在巨大提升，可支持超大带宽视频传输、超低延时工业物联网、空天地一体互联等应用场景，系统性能需支持1Tb/s峰值速率和1Gb/s用户体验速率、0.1ms超低延时和高移速通信、超高频谱利用率等。6G无线G空口峰值速率或将有百倍提升，加之空天地一体互联等新型需求，预计前传容量将需要数十倍提升。

　　随着云计算、大数据、超高清视频、人工智能、5G行业应用等快速发展，网络访问频率和接入手段不断增加，网络数据流量迅猛增长，对数据中心互连提出更高挑战。以Spine-Leaf CLOS架构数据中心为例，典型光互连场景如表3所示，前三类为数据中心内部互连，第四类为数据中心之间互连（DCI）。

　　数据中心内部互连在数据中心整体流量分布中的占比较大，光模块典型需求如表4所示，存在高速率、低功耗、低成本和智能化等发展趋势。

　　1）高速率方面，亚马逊、谷歌、微软、Facebook等北美超大型数据中心内部互连已从2019~2020年开始商用部署400Gb/s光模块；国内数据中心正由100Gb/s逐步向400Gb/s过渡，预计2022年实现规模部署。如图2所示，数据中心交换芯片吞吐量预计2023年将达到51.2Tb/s，2025年之后达到102.4Tb/s，800Gb/s和1.6Tb/s更高速率将成为实现高带宽数据交换的重要选择。

　　2）低功耗方面，随着交换芯片容量不断提升，光模块功耗已开始超过交换芯片功耗，成为网络解决方案的关键因素。400Gb/s光模块的早期功耗为10~12W，预计长期功耗将为8~10W；800Gb/s光模块功耗约为16W左右。此外，业界期望通过将光引擎与交换芯片合封来降低互连SerDes功耗及成本，光电共封装光引擎（CPO）技术成为业界研究热点。

　　3）低成本方面，数据中心存在海量互连需求，低成本是驱动光模块技术方案不断发展的主要动力之一。一是场景一中的接入线缆呈现多样化趋势，部分方案通过调整机柜布局来降低互连距离，采用更低成本的直连铜缆（DAC）替代光缆；二是数据中心光模块运行环境稳定、更新换代快，业界正积极探索通过降低温度和长期可靠性等要求来降低成本；三是随着速率不断提升，相干方案下沉趋势明显，同时非相干方案也在努力向长距拓展，两种方案在部分应用场景中出现“相遇”，未来不同方案在“相遇”场景的需求占比将与成本等因素密切相关。

　　4）智能化方面，随着光模块数量的急剧增加，OTT开始关注光模块的运维能力增强和质量提升，通过人工智能、机器学习和大数据等实现光模块健康度监测、故障提前预警等，对光模块的功能特性及规格提出了新的要求。

　　数据中心之间的互连早期主要通过互联网接入，随着业务流量的增加，数据流量达到Tb/s以上，网络时延、拥塞、安全等问题要求有专门的接口来支持。数据中心是高能耗产业，受电力供应和周边环境限制，单个数据中心的规模不能无限制增大。现代虚拟化技术的广泛应用使得多个物理上分开的数据中心可以像一个虚拟的数据中心一样工作，大型互联网企业可以在多个数据中心和业务之间分担负荷、有效降低数据中心对电力供应的要求，并便于快速部署。此外，出于容灾备份考虑，很多大型数据中心由多个站址组成，各站址之间需要大量低时延数据交互通道，以上应用场景均对DCI互连提出强烈需求。

　　DCI互连距离一般在几km到几十km、甚至百km以上，典型互连场景如下：a) DCI-Campus：连接距离较近的数据中心，传输距离通常为2km左右，并进一步向10km更长距离拓展；b) DCI-Edge：连接区域的分布式数据中心，传输距离通常为80km~120km；c) Metro/Long Haul：进一步延伸至城域和长距传输，距离可达几百或千km。为充分利用光纤资源，密集波分复用技术被广泛使用，不同传输距离可采用不同的调制码型。此外，尽管不是DCI基础设施的一部分，无线网络也正在被集成到数据中心网络中。

　　针对20km以内的DCI互连，根据连接带宽和光纤资源的不同，可选择采用CWDM或DWDM 直调直检技术。针对20km~80km传输距离，DWDM相干技术和直调直检技术在建设及运营成本、可靠性等方面存在竞争。针对80km~120km传输距离，DWDM相干技术是主流方案，为进一步降低技术复杂度和成本，基于直调直检技术的彩光及灰光模块也在同步研发。针对几百km及以上传输距离，需要在每波长上传输更高速率的信号以提高总接口带宽，相干技术为主流方案。

　　随着接入带宽需求不断攀升，接入网容量持续增长，未来5~10年光接入网的发展目标是每户接入速率提升至1~10Gb/s。同时，随着5G的全面部署，出现5G小站等新场景，基于PON架构的5G承载因具备大幅节省主干光纤等优点，成为备选方案之一。因此，有线及无线G光接入技术实现方案的潜在需求。10G PON目前已规模部署，考虑到运营商后续演进一般需提升4倍以上带宽，并支持10G PON的平滑演进。鉴于此，单波50G PON技术将是国内接入网高速技术演进的主要方向，目前已进入加速研究发展阶段。

　　25Gb/s C波段波长可调谐光模块的应用场景以5G前传为主，县乡城域网应用场景目前主要采用10Gb/s速率，后续会探讨向25Gb/s速率演进的可行性。25Gb/s波长可调谐光模块需支持波长自动适配功能，可通过ITU-T G.698.4规定的消息通道机制实现。波长可调谐技术的实现方案较多，包括分布反馈（DFB）阵列、分布布拉格反射（DBR）、数字超模DBR（DS DBR）、调制光栅Y型激光器（MGY branch），采样光栅DBR（SG DBR）、垂直腔表面发射激光器（VCSEL）、外腔激光器（ECL）、硅光微环腔和V形耦合腔等，主要采用温度控制、电流控制和机械控制等方式，技术比较见表6。

　　从波长调谐范围上，可分为全C波段可调谐和窄带C波段部分可调谐；从调制方式上，可分为基于EML和MZM的波长可调技术，其中，EA方便与激光器芯片进行单片集成，MZM可实现更高消光比、且可灵活控制啁啾系数；从接收方案上，可分为PIN接收和APD接收；从光模块接口类型上，分为单纤双向和双纤双向，匹配不同的DWDM合分波器使用。

　　25Gb/s C波段波长可调谐光模块的核心光电子芯片与器件包括可调谐激光器芯片、PIN/APD探测器芯片、以及Driver、TIA、CDR等电芯片。其中，可调谐激光器芯片最为核心，也是光模块成本关键所在，其他芯片器件可共享25Gb/s灰光模块产业链。除全C波段可调谐激光器芯片外，业界也在推动窄带C波段部分可调谐激光器芯片（包括6波、12波可调谐等）的发展，并在YD/T 3125.3行业标准中对波长范围进行了规范，实际应用中可采用多个代码型号覆盖完整C波段，如5×8（单模块调谐范围8个波道）或4×10（单模块调谐范围10个波道）等。

　　标准化方面，国内25Gb/s DWDM光模块、N×25Gb/s DWDM系统技术要求行业标准均已在报批流程中、即将发布。国际ITU-T G.698.x系列标准正在修订，目前主要剩余谱偏移（spectrum excursion）和纹波（ripples）等参数在讨论中，标准修订预计2022年完成。

　　应用部署方面，目前已有海信、海思、瑞泰、华工正源、II-VI等多个国内外厂商可提供25Gb/sC波段波长可调谐光模块样品，其他厂商正在开发中。中国联通已完成华为、烽火、欣诺、瑞斯康达、格林威尔和深圳震有等多家设备商的25Gb/s前传DWDM实验室集采测试，目前正在现网试点中。海外运营商已经在5G前传领域开始商用25Gb/s C波段波长可调谐光模块。

　　25Gb/s O波段波长可调谐光模块主要应用于5G前传领域，12个通道波长规划如图3所示，1~6通道和7~12通道之间预留间隔波长，有利于上下行通道隔离。400GHz间隔相对于DWDM采用的100/50GHz间隔可大大降低制造难度。

　　25Gb/s O波段波长可调谐光模块的功能框图如图4所示，发射部分的可调谐光组件（TOSA）需采用TEC进行温度稳定，通过改变施加在IP和IF上的电流源大小调节波长输出，PD1、PD2用于检测相关光电流，通过稳定PD1、PD2的比例大小对输出光波长进行锁定。光模块可采用SFP28封。