光通信芯片新势力！鹏瞰半导体首创两大技术，50G TS-PON即将到来

电子发烧友网报道（文/莫婷婷）近年来，在市场需求的带动下光通信迎来快速发展，并且出现了应用范围越来越广的趋势。2019年，鹏瞰半导体（上海）有限公司（以下简称“鹏瞰半导体”）正式成立，致力于打造智能网络和边缘计算和控制的半导体解决方案，为智能制造和机器人、汽车和 F5G等产业的下一波技术革命提供动力。

作为产业链关键环节的光通信芯片，也是国产光通信行业中较为薄弱的环节，鹏瞰半导体加快产业布局，实现技术突破。鹏瞰半导体首创基于光传输技术的新型工业通信与控制网络，即TS-PON技术。在近期，电子发烧友网采访了鹏瞰半导体首席运营官张路博士，共同探讨了光通信芯片市场的发展现状以及公司未来的发展规划等话题。

图：鹏瞰半导体首席运营官张路博士

深挖光通信市场痛点，鹏瞰半导体推出两大业界首创

在进入光通信市场之前，鹏瞰创始团队就在寻找这个市场真正需要的是什么？“我们希望创建的公司还是要做一些创新的技术，而不是简单的（国产）替代。经过筹备后，我们发现光技术在很多应用场景都有很强的优势。”张路博士说到。

2018年，光传输技术的应用已经非常广泛，例如光纤到户，甚至在数据中心领域的应用发展也很快。而鹏瞰半导体发现了“市场缺口”：为了解决高带宽、低时延和线缆电磁干扰等问题，工业领域也出现采用光纤作为通信媒介的趋势。。当时还没有能很好匹配的光传输技术应用在这些领域。

“我们认为这是一个很好的契机，而且有很多边缘智能终端也对控制和传输提出了新的要求，特别是机器人、工业制造、车载等新兴应用场景。”张路博士提到。

原有的工业控制网络，最注重可靠性、低时延的性能，对数据传输带宽的要求较低。而大部分的数据网络，对数据传输的带宽要求非常高，但对于控制的应用没有要求，因为以前互联网应用主要是在做数据传输，对时延不敏感，但是一旦把数据传输技术应用在工业里，它就必须满足工业应用的要求，包括可靠性、低能耗、低时延等。

新兴应用场景对现有的数据网络提出了很大的挑战，鹏瞰半导体创始团队认为“光进铜退”的趋势，也必将在工业领域发生。

任何一家想要进入新兴领域的玩家，都需要精准找到市场痛点，并且还需要打造属于自己的技术竞争优势。

基于市场需求，鹏瞰半导体在传统PON（无源光网络）技术的基础上做了演进，创新性提出“TS-PON”（时间敏感无源光网络）的概念。随后在FTTx的应用需求下，于今年又正式推出业界第一款FTTR Mini-OLT ASIC。

在9月的CIOE光博展期间，鹏瞰半导体向业界展示了公司的主营产品，基于TS-PON（时间敏感PON技术）的VN1810和VN1110系列SoC芯片，以及基于标准XGS/XG/GPON协议的VN180x和VN110x系列SoC芯片。

图：鹏瞰半导体标准PON与TS-PON高集成芯片产品

首创TS-PON技术，人形机器人将更加灵活

什么是TS-PON技术？根据介绍，鹏瞰半导体将TSN（时间敏感网络）特点和PON技术结合，带宽提升至10G甚至更高，并且将通信时延降至10μs，极大程度解决了工业通信对时延、带宽的问题。

在鹏瞰半导体的产品中，VN1810和VN1110分别是TS-PON Root SoC芯片、TS-PON Node SoC芯片。VN1810通常内置在工业主站的控制器里，VN1110内置在从站传感器、执行器单元里， Root和Node之间采用光纤连接，通过P2MP（点到多点）方式实现信息上传和下发与控制处理。

图：TS -PON的技术原理图

TS -PON技术的目标替代市场指向控制总线和工业以太网。要知道，在工业通信方式中，尽管工业无线网络的需求正在提升，但工业以太网和控制总线等有线方式依旧占据主导地位，合计占据超过八成的市场份额。工业以太网传输技术是点到点的传输技术，不管是采用电缆还是光纤进行传输，都是需要大量的线缆。另外，以太网的协议是为“尽力而为”的数据传输设计的，为了弥补这个缺陷，当前工业以太网或其他TSN技术都还只是做了“改良”工作。从上面TS-PON的技术原理图上可以看出，它是采用了“革命性”的方式优化了传输方式：包括点到多点的技术可以减少大幅减少线缆数量，而且也大幅减少了主站的设备端口及设备数量，降低了投资成本。并且TS-PON从协议根基上保证了工业网络需要的确定性，低时延等需求。

目前，鹏瞰半导体已掌握10G光通信芯片的核心技术，开始向50G等下一代PON技术布局。

“从光网的建设，到光网的维护，它的递升性都非常强，生命空间也非常大。”张路博士表示，基于光纤的特点，鹏瞰半导体可以快速推进TS-PON技术的演进。鹏瞰半导体已经将单芯光纤通信速率50G的产品系列列入产品规划路标，包括50G TS-PON和50G ITU PON。

那么，TS-PON技术的应用能够带来哪些应用升级呢？

当前，鹏瞰半导体推出了工业4.0、机器人、智能汽车的光平台解决方案。关于在机器人上的应用，张路博士提到，机器的沟通分为两部分，一部分是机器内部的沟通，依靠的是有线传输技术把机器人的每一个关节点全都连接起来；另一部分机器跟机器之间的沟通，依靠的是无线传输技术让机器可以完成跟外部物体的互动。两部分传输统筹不同载体之间的连接。而TS-PON技术侧重于有线传输。

现阶段的人形机器人可以完成很多动作，但这些动作的完成都很慢，因为需要考虑数据传输、控制，以及如何在保证安全时又能灵活完成动作等问题。TS-PON技术能够用一根光纤支撑起高达128个节点，具备高带宽、μ秒级低时延，超高性能MCU等优势。后续能够升级为50G TS-PON，，能够让机器人承载更多的摄像头和传感器，可以完成更复杂更灵活的工作。

同样，TS-PON技术的优势在智能汽车、工业4.0领域也能得到充分的发挥。鹏瞰半导体也已经与多家头部企业达成深度合作，未来随着技术的成熟与迭代，将逐步提升市场占有率。

完成0到1的突破，发布首款FTTR Mini-OTL ASIC

在通信领域，FTTR是今年绕不开的热点话题，随着光纤到房间的推进，光通信在智慧家庭的应用也得到进一步的开拓。

针对家庭应用场景，鹏瞰半导体推出了业界第一款FTTR Mini-OTL ASIC——VN180x和VN110x系列SoC芯片。顾名思义，这款产品的特别之处就在于采用了ASIC方案。

相对于FPGA方案，ASIC方案在速率、安全性、功耗等各个方案都有明显的优势，VN180x的功耗可以低至1W，而业界的FPGA方案的功耗约为3W，在家庭应用场景中，功耗将是一个非常明显的优势。此外，VN180x还内置PLL，无需另加高精度时钟芯片。

当前，在家庭应用中，即使连接了 WiFi 6、WiFi 7，但是用户很难感受传输速率很快，这是因为周围有几十个WiFi热点在工作，所以每一个热点的传输数据都很低。而FTTR光网络能还需要进一步优化它，把每个房间的WiFi热点全部连接起来，让它们做更好地协同，提升传输速率。

面向未来的TS-PON SoC，必将引发一场工业领域的大变革

基于AIGC的特性，FTTR的使用场景也从家庭应用领域，拓展至政企等领域。传统FTTH光纤到户对通信传输距离的要求是10公里甚至20公里，但工业应用场景或许只需要100米、200米，房间与房间之间是需要10米或者20米。张路博士表示，这里面光通信有很大的优化空间，包括有线和无线之间怎么样更好地融合，这就是我们下一代要去解决的一个问题。

面对AI等技术带来的海量数据、传输挑战，张路博士认为，如果将车载、机器人、工业应用场景看成一个个边缘智能体，我们需要进一步思考的是：在各种各样的边缘智能应用里，它会对数据传输和实时性提出什么样的要求，我们怎么样把智能的应用和对数据的使用能够做得更好，这是我们要做的。

鹏瞰半导体作为光通信芯片研发商，扮演的角色犹如修桥铺路的基础设施建设，在光通信行业的发展过程中发挥中流砥柱的作用。鹏瞰半导体认为，光技术代表了网络通信的未来，因为它可以覆盖从广域网一直到局域网到工厂到机器人和车身，不管是从公司的发展，还是产品的研发，鹏瞰半导体将开发出更新的技术、更新的产品，引领产业的发展，同时满足业界对新技术无尽的需求。

一文读懂！50G-PON发展现状和应用前景

下一代PON技术，即50G-PON技术，是实现万兆光网的关键技术，其发展现状和应用前景备受关注。相比10G-PON，50G-PON的带宽增长近5倍，参考历史经验，这符合每代际PON容量增加4~5倍的发展规律，这样的容量增长也能够满足创新业务对网络带宽发展的需求。50G-PON将成为赋能企业办公、园区生产制造、智慧家庭、数字城市等领域的光接入网技术。根据PON技术发展历史，相邻代际的光接入技术部署时间间隔为7～8年，在产业和政策的助推下，50G-PON技术日趋成熟、主体标准日益完善，预计将在2025年前后实现商用。

01

50G-PON几个关键技术问题取得进展

功率预算 50G-PON需要利用现有PON网络的ODN，实现N1（29dB）、C+(32dB）等级的功率预算，支持至少20km的光纤传输距离。50G-PON线路速率相比10G-PON提升5倍，而随着传输速率的提高，链路色散代价也增大，50G-PON色散容限只有10G-PON的1/25。此外，有研究表明，线路速率提高，光发射机的发射功率随之增大，会产生非线性效应，因此对系统设计提出新的挑战。为了满足50G-PON系统的功率预算，需要在发送端增强光信号发送功率，同时在接收端提高器件接收灵敏度，多种技术结合方可实现链路功率预算。在系统发射端，根据ITU-T标准，为满足C+（32dB）等级的功率预算，克服色散对系统的影响，OLT侧发送光功率需要≥8.5dBm。OLT发射端可以增加半导体光放大器（SOA）结构的电吸收调制激光器（EML）芯片数量，参考D（35dB）等级XGS-PON相似的OLT发射端结构，通过采用集成SOA的EML激光器，提供超过10dBm的发射功率。在ONU侧，其上行波长在光纤零色散波长区（US1）或负色散区（US2）附近。其中，US3的窄波长波段选项是在ITU-T的G.9804.3 Amd1修订标准中引入的，这个波长带位于GPON和XGS-PON波段之间，允许PON系统的三代共存，如图1所示。图1 50G-PON波长规划相比OLT侧，ONU侧能够采用更简单的光器件，如采用直接调制激光器（DML），以进一步降低终端成本。但根据ITU-T标准要求，对称速率50G-PON系统ONU侧发射功率接近7dBm，如采用低成本DML方案，ONU侧需要配置高功率DML激光器。此外，如ONU上行波长在US3的窄波长带（1286±2nm），为确保上行波长稳定并性能最优，光模块内需要增加TEC以实现模块内部温度控制较优的稳定性。在系统接收端，50G-PON采用高性能光探测器，以进一步提高接收灵敏度，实现链路功率预算指标。目前业界倾向于在接收端采用APD探测器，并研究通过优化APD材料体系（如采用Ge/Si等）提高接本较高，尚未有成熟的产品。为进一步提高链路光功率预算，50G-PON系统收灵敏度，当前25G APD已较为成熟，但50G APD产业链仍未完善，处于样品阶段。此外，也有研究人员采用“PIN+SOA”组合的方案提高接收灵敏度，目前PIN产业链能够满足50Gbit/s带宽需求，但与SOA集成的方案工艺复杂且成的上下行FEC采用低密度奇偶校验（LDPC）码，替代之前PON系统采用的里德-所罗门（RS）码。在下行方向，FEC对于所有ONU强制开启；在上行方向，FEC默认开启，并可由OLT控制关闭。目前，业界为提升50G-PON功率预算，在系统收发侧采用多项关键技术，包括引入SOA、采用高灵敏度APD、部署LDPC FEC等，并已在实验室对系统N1和C+等级功率预算进行了验证，取得显著进展。但仍需完善核心光电器件（如50G DML、50G APD、BM-DRV、BM-TIA等）产业链，提高光电器件产品的性能，以形成规模、降低成本。此外，50G-PON将采用高功率器件，这也将进一步提高系统功耗和对散热效率的要求，系统性能有待研究并优化。多代共存 多代共存是运营商非常关注的50G-PON系统关键技术能力。目前，GPON系列和EPON系列光接入网已大量部署，而支持多代共存的50G-PON系统能够在网关侧设备无需改动的情况下升级局端设备，降低运营商机房空间占用率，节省现网投资。目前支持多代共存的50G-PON，上行波长方案已收敛至1286nm±2nm，能够支持GPON系列三代共存和EPON系列两代共存。其中，GPON系列支持G/XG(S)/50GPON三代共存；EPON系列由于早期部分ONU激光器频宽较宽（1260nm—1360nm），与50G-PON上行波长冲突，因此，目前支持两代共存，三代共存方案仍在研究中。在共存实现方式上，运营商多采用内置合波（即在50G-PON光模块内集成MPM合分波组件）的方式。多代共存时，50G-PON上行波长（1284nm—1288nm）与GPON上行波长（1290nm—1330nm）仅间隔2nm区间，需要实现30dB高隔离度，对内置的合分波器件要求极高，对光模块封装方式也有很高要求，需要模块厂商优化光模块的结构设计，提升工艺水平。在业界持续攻关下，目前已有器件厂商研制出高隔离度的合分波器件产品，并在系统方面也取得进展，业界已相继完成50G-PON系统三代共存能力验证和三代共存速率验证，取得预期成效。但在共存方面仍有难关需业界攻克，如多代共存使用的高性能合分波器件、模块选择性较少等，供应链也有待完善；同时，支持三代共存的50G-PON光模块需要内置“3发3收”六向合波的MPM器件，而多模光模块如何实现小型化，以进一步提高系统密度并降低功耗也是一大难点。此外，目前用于验证多模50G-PON系统的商用测试工具仍不完备，如商用支持多模50G-PON系统测试的光功率计仍然缺失，影响系统精度验证，需加快研发进度。多速率突发接收 ITU-T标准确定了三种50G-PON系统上行速率，分别是12.5Gbit/s、25Gbit/s和50Gbit/s。这意味着PON系统需要在不同的上行速率的ONU之间动态接收，满足不同用户或应用场景的需求。50G-PON首次引入数字信号处理器（DSP）均衡技术，动态补偿不同速率和位置的ONU在接入系统时所受到线路损伤的差异。此外，有研究表明，部署DSP能够降低系统对光器件带宽的要求，在ONU侧部署使用25G光器件和DSP，能够补偿色散对下行链路的影响以实现系统的链路预算。ITU也在制定50G-PON标准时提出评估发射机的新指标TDEC（发射机和色散眼图闭合），用于关注背靠背及长距离传输后线路损伤导致的功率裕量损失，尤其关注采用均衡后的信号眼图闭合现象。TDEC、ER与灵敏度指标综合评估，能够使制造商更加灵活地选择系统配置。DSP的部署对实现50G-PON系统多速率突发接收起到关键作用。参考国内50G-PON产业发展，50G-PON系统上行速率已收敛到25Gbit/s（非对称）和50Gbit/s（对称）双速率。为了提升系统性能，在OLT侧，通过引入DSP技术，实现了对多速率上行突发信号的动态均衡。在ONU侧，通过引入轻量化的DSP，降低了器件带宽的限制，并能够有效地补偿下行色散等因素对链路造成的影响，提高系统功率预算。当前，50G-PON系统的DSP产业链借鉴了数通产业链的技术产品，但OLT侧的DSP需要支持多模突发时钟恢复和突发动态均衡等功能，目前高性能DSP产品的可获得性仍然不足，这对设备厂家的自主研发能力提出了挑战。此外，随着DSP的加入，系统的成熟度以及可能带来的成本、功耗影响也需要进一步评估。

02

主体标准制定工作基本完成

现网试点持续开展

主体标准制定工作基本完成，现网试点持续开展在国际上，ITU-T SG15的光纤接入网络光系统研究组（Q2）早在2016年便启动了后10G-PON项目研究，其研究项目ITU-T G.Sup64于2018年完成并发布，研究了后10G-PON的各种可行性路线及其关键技术。2018年的ITU-T SG15会议经过多次讨论，最终确定将50G-PON作为下一代PON系统代际技术，并建立新的G.HSP（G.Higher Speed PON）系列标准项目，体系内主要技术标准包括G.9804.1面向网络基本需求、G.9804.2面向TC协议层、G.9804.3面向物理层。系列标准第一版（包括需求标准及修订G.9804.1Amd1、通用协议层标准G.9804.2及物理层标准G.9804.3）于2019年4月在ITU-T SG15全会上正式通过，标志着50G-PON的基础功能完成标准化。此后，系列标准的完善工作持续开展，截至2024年4月，50G-PON系列已增补需求补充、物理层对称指标、协议层以及共存等相关标准，并陆续完成发布。至此，50G-PON的国际标准研制主体工作已基本完成。在国内，中国通信标准化协会（CCSA）的TC6工作组也早在2017年便开展了下一代PON的技术研究工作，并于2020年开始50G-PON系列标准研制。截至2024年4月，50G-PON系列行业标准（包括总体、物理层、TC层等）已在TC6WG2完成并发布。在模块器件方面，50G单模、10G/50G双模光模块的行业标准已在TC6WG4完成报批，三模光模块[G/XG(S)/50G]标准已立项，处于征求意见稿编制阶段。此外，CCSA TC615WG全光垂直行业工作组也立项“50G-PON垂直行业应用技术研究”的课题，探索50G-PON可率先应用赋能的垂直行业领域。国际和国内50G-PON主体标准的完成为产业链上下游全面推进50G-PON商用创造了条件。全球众多运营商也积极开展50G-PON技术验证，中国电信、中国移动、中国联通、瑞士电信、法国电信等30多家运营商相继开展50G-PON试点。在国内，三大运营商自2021年起便积极通过试点验证50G-PON的各个发展阶段，我国50G-PON现网试点情况如图2所示。图2 我国50G-PON现网试点情况

03

需求驱动、政策推动

宽带网络向万兆挺进

“十四五”规划明确提出要推广升级千兆光网。截至2023年底，我国千兆网络加速普及，千兆及以上宽带用户达1.63亿户，占总用户数的25.7%。在网络建设方面，我国已建设具备千兆网络服务能力的10G-PON端口数达到2302万个，千兆光网具备覆盖超过5亿户家庭的能力。千兆光网的快速发展带动产业链持续繁荣，并进一步推动家庭及行业应用的创新发展，沉浸式家庭应用开始涌现，智慧城市和智慧园区加速创新，用户体验要求和对网络的需求同步提升。以沉浸式“裸眼3D”为例，84视点的4K分辨率压缩数据流需要2.7Gbit/s的吞吐量，如视点分辨率提升至8K，则网络带宽将大于10Gbit/s。应用创新、更优的用户体验需求推动宽带网络向万兆光网迈进。50G-PON作为万兆光网的关键驱动技术，可以为每个接入点提供超过10Gbit/s的超高带宽、实现微秒级的系统传输时延和抖动、支持至少为1:64的物理最大分路比，并可以重用现有的ODN基础设施，与现有PON网络共存。50G-PON的新特性使它能够用于承载FTTX各类场景服务，满足创新应用（如虚拟现实、增强现实等沉浸式应用）的网络需求和用户体验要求，还将为物联网、大数据、云计算、AI等技术的发展提供坚实的网络基础，赋能行业应用创新，引领万物的光纤互联，因而具有广阔的应用前景。根据Omdia预测，新兴应用不断涌现将推动新一代PON网络的需求不断增长，促使50G-PON在2030年前保持高速发展，预计2024—2029年，亚洲地区50G-PON OLT端口出货量年复合增长率将达到90%，50G-PON投资占比逐年增高。我国政府也高度重视万兆光网的发展，多次提出加大以50G-PON为代表的万兆光网研发力度。目前，已有多地政府出台具体措施助推万兆光网发展。北京于2023年9月发布《“光网之都，万兆之城”行动计划（2023—2025年）》，计划到2025年成为以万兆光网为基础的网络能力领先、创新应用领先、前沿示范领先的“全光万兆”样板城市。上海市于2024年5月启动“‘光耀申城’万兆启航行动计划（2024—2025年）”，目标是到2025年建成万兆光网基础设施体系，同时明确了50G-PON端口发展规模，并计划在新建住宅、商务楼宇以及产业园区全面部署50G-PON。50G-PON作为万兆光网的关键驱动技术，能够满足不断增长的网络应用需求。未来其应用将不仅围绕家庭超宽带业务接入，还将围绕垂直行业的不同领域赋能企业数字化转型。此外，50G-PON的部署还将带动光通信产业模块、器件、设备、管理方式的全面升级，促进整个光通信产业链的技术革新和发展，创造新的市场机遇。目前，50G-PON的功率预算、多代共存、多速率突发接收等几项关键技术已取得显著进展，产业界正在加速完善核心光电器件产业链，深入优化系统性能，为后续的规模商用部署提供完备的技术支撑，预计50G-PON将在2025年前后迎来商用部署，光接入网将进入万兆时代。*本文刊载于《通信世界》总第947期 2024年7月10日 第13期 原文标题：50G-PON发展现状和应用前景分析 END

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作者：中国信息通信研究院 曹小波 刘谦责编/版式：盖贝贝

审校：王 涛 梅雅鑫

监制：刘启诚

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