4. 并行通道的发射端光学设计

在 400G、800G 乃至 1.6T 光模块中，发射端不再是“一个激光器 + 一套准直聚焦”的单通道结构，而是由 4 路、8 路甚至 16 路并行通道组成的光学阵列。并行发射端设计的核心矛盾在于：每一路都要独立完成“电光转换—光束整形—准直—聚焦耦合”这条链路，但所有通道又必须共享同一套机械基准、同一套温控条件和同一个封装空间。因此，设计目标可以概括为三件事：让每路光束质量一致、让每路耦合功率一致、让每路波长落在规定栅格上。

激光器阵列：从单管到阵列的工程约束

并行发射端最常用的光源是 DFB 激光器阵列和 EML 阵列。DFB 阵列通过在同一 InP 衬底上制作多个分布反馈光栅，实现多波长输出；EML 则在 DFB 后集成电吸收调制器，适合 50Gbaud 以上速率。以 800G DR8 为例，8 个通道通常按 400GHz 或 800GHz 波长间隔排列，覆盖约 20nm 的波段。

阵列化带来的第一个约束是热串扰。相邻激光器间距通常为 250μm 或 500μm，当某一路偏置电流升高时，结温上升会通过衬底横向传导，使相邻通道波长漂移。DFB 的波长温度系数约为 0.08nm/℃，若相邻通道温升相差 5℃，波长差就会偏移 0.4nm，足以吃掉 400GHz 间隔下约 3.2nm 栅格中的相当一部分余量。因此阵列设计必须同时考虑热隔离槽、独立 TEC 分区或波长锁定方案。

第二个约束是阵列的几何一致性。激光器出光点的位置偏差、发散角差异、偏振方向差异，都会在后续准直和聚焦中被放大。工程上通常要求阵列出光点位置偏差控制在 ±1μm 以内，快轴发散角半高全宽约 25°～35°，慢轴约 8°～12°。

光束整形与准直：把椭圆光斑变成可耦合的光束

半导体激光器的近场光斑是椭圆形：快轴小、发散角大，慢轴大、发散角小。如果直接聚焦耦合进光纤，快轴和慢轴的束腰位置不重合，会产生严重像散。因此并行发射端通常先做光束整形，再做准直。

常见方案有两种。第一种是快轴准直镜（FAC）加慢轴准直镜（SAC）：FAC 是一段柱面透镜，把快轴发散角压到 1° 以内；SAC 再把慢轴发散角压缩。第二种是使用非球面准直透镜，直接对椭圆光束做整体准直，再通过柱面镜对做椭圆度校正。对于 8 通道阵列，FAC 通常是一根长条柱透镜，同时覆盖所有通道，这就要求各通道快轴发光点高度一致，否则长条 FAC 无法同时对准。

准直后的光束直径决定了后续聚焦光斑大小。若准直后光束直径为 D，聚焦透镜焦距为 f，工作波长为 λ，则聚焦光斑直径近似为 4λf/(πD)。以 λ=1310nm、f=2mm、D=0.5mm 为例，理论光斑直径约 6.7μm。单模光纤的模场直径约 9μm，因此聚焦光斑需要与光纤模场匹配，而不是越小越好。

聚焦与耦合：把准直光束送进光纤

准直后的平行光束需要通过聚焦透镜会聚到光纤端面。对于并行通道，聚焦透镜通常是一个透镜阵列，每个通道对应一个微透镜。透镜阵列的间距必须与激光器阵列间距、光纤阵列间距严格匹配，否则会出现通道间耦合效率差异。

耦合效率对横向偏移非常敏感。以模场直径 9μm 的单模光纤为例，若聚焦光斑与光纤纤芯横向偏移 1μm，耦合损耗约 0.2dB；偏移 2μm，损耗约 0.8dB；偏移 3μm，损耗超过 1.5dB。因此，8 通道并行发射端通常要求每个通道的横向对准精度优于 ±0.5μm。这也是为什么并行光学模块普遍采用硅光或聚合物波导做被动对准，而不是逐通道主动对准。

纵向离焦同样影响耦合。若聚焦透镜焦距为 2mm，光纤端面偏离焦点 10μm，耦合损耗约 0.3dB；偏离 20μm，损耗约 1dB。因此，光纤阵列的 Z 向位置需要与透镜阵列的焦面精确重合，通常通过垫片或刻蚀台阶控制。

通道间功率均衡：让 8 路输出功率一致

并行发射端最容易出现的问题不是“某一路不亮”，而是“8 路功率参差不齐”。造成功率差异的原因包括：激光器斜率效率差异、准直透镜装调偏差、聚焦透镜阵列焦距差异、光纤阵列端面质量差异。工程上通常要求通道间功率差控制在 1dB 以内，高端模块要求 0.5dB 以内。

实现功率均衡的手段有三类。第一类是激光器偏置电流独立调节：通过监控光电二极管（MPD）读取每路背光电流，闭环调整偏置电流，使输出功率一致。第二类是光学衰减：在耦合效率偏高的通道上增加微量吸收或偏移，但这会牺牲总功率，通常只用于粗调。第三类是透镜阵列公差控制：通过提高透镜阵列的焦距一致性和装调精度，从源头减少差异。

实际调试时，可以先给所有通道相同的偏置电流，测量每路 MPD 电流和光纤输出功率，得到初始功率分布。然后以最低功率通道为基准，逐步降低高功率通道的偏置电流，直到所有通道功率差进入 1dB 窗口。注意，降低偏置电流会同时改变波长，因此功率均衡和波长分配需要联合迭代。

波长分配：并行通道的“频率规划”

并行通道的波长分配不是随意选择的，而是由标准栅格决定。以 800G DR8 为例，8 个通道通常采用 400GHz 间隔，中心波长从 1271nm 到 1331nm 附近分布。若采用 CWDM 栅格，则间隔为 20nm，通道数通常为 4 或 8。

波长分配的核心约束是：每个通道的波长必须落在目标栅格的容差范围内，通常为 ±0.1nm 到 ±0.2nm。DFB 激光器的波长由光栅周期和材料折射率决定，而折射率随温度变化。因此，模块内部需要 TEC 控温，把激光器阵列温度稳定在设定值附近。若 TEC 控温精度为 ±0.1℃，波长漂移约 ±0.008nm，可以满足大部分标准要求。

对于 8 通道阵列，还需要考虑相邻通道的波长间隔是否足够大，以避免模式竞争和串扰。400GHz 间隔对应约 2.2nm（在 1310nm 附近），而 DFB 的边模抑制比通常大于 40dB，因此只要波长偏差控制在 ±0.2nm 以内，通道间串扰可以忽略。

设计检查清单

并行发射端光学设计的本质，是在“每路独立”和“整体一致”之间找到平衡。激光器阵列决定了波长的物理上限，光束整形和准直决定了耦合效率的上限，聚焦和光纤阵列决定了装调公差的上限，而功率均衡和波长分配则是把这些上限真正兑现到 8 路输出上的最后一步。只有这四段链路都收敛，模块才能在 8 通道同时工作时保持稳定的眼图和误码率。