1. 相干光发射机系统概述

相干光通信的核心思想，是把信息同时加载到光载波的幅度与相位两个维度上，并在接收端借助一个本地振荡激光器与信号光进行混频，从而在电域中完整恢复出光场的同相分量（I）与正交分量（Q）。这与传统强度调制/直接检测（IM/DD）只利用光功率“有与无、强与弱”的方式有本质区别：直接检测丢弃了相位信息，而相干检测通过相干混频把光相位“搬移”到可被数字信号处理（DSP）精确解调的电信号上。

要理解发射机在系统中的位置，可以先看一条完整的相干链路：发射端由数字信号处理（Tx-DSP）→ 数模转换（DAC）→ 驱动放大 → IQ 调制器 → 发射光放大构成；光纤链路引入损耗、色散和非线性；接收端则由本振激光器、90°光混合器、平衡光电探测器、ADC 与 Rx-DSP完成解调。发射机的职责，就是把二进制比特流转换成“可被相干接收机正确还原”的光场 E(t)=A(t)·exp[j(ω₀t+φ(t))]，其中幅度 A 与相位 φ 都由基带电信号精确控制。

从图中可以看到，发射机并不是孤立器件，而是“数字域—模拟域—光域”三级转换的起点。Tx-DSP 先完成比特到符号的映射（例如 16QAM 每符号 4 bit），再通过脉冲整形、预失真和偏置控制，把理想星座点转换为 DAC 可输出的 I、Q 两路基带电压；IQ 调制器再把这两路电压映射为光场的实部与虚部。若 I/Q 两路存在增益不平衡、偏置漂移或正交相位偏差，星座图就会从规则方格退化为倾斜、压缩或偏移的形态，接收端误码率随之恶化。

直接检测与相干检测的差异，可以用一组典型参数直观对比。假设单波道符号率 32 GBaud：IM/DD 常用 OOK 或 PAM4，每符号承载 1～2 bit，单波道速率约 32～64 Gb/s，且色散补偿依赖光域器件；相干 16QAM 每符号 4 bit，单波道可达约 128 Gb/s，并可在电域用 DSP 完成色散补偿、偏振解复用和频偏估计。代价是发射机需要窄线宽激光器、IQ 调制器偏置控制、更高采样率 DAC，以及接收端高速 ADC 与复杂算法，整体成本与功耗明显上升。

典型应用场景包括：长距与超长距骨干网（400G/800G 相干端口）、数据中心互联（DCI，80～120 km 的 ZR/ZR+ 模块）、城域汇聚以及海缆系统。以 400ZR 为例，其发射侧采用 16QAM、约 60 GBaud 符号率，通过概率整形或 OFEC 在约 75 GHz 栅格内实现 400 Gb/s 净荷；模块内部集成可调激光器、IQ 调制器、驱动与 DSP，尺寸和功耗被严格约束。这类场景对发射机的挑战集中在：激光器线宽与频率稳定度、IQ 偏置长期漂移、DAC 有效位数与带宽、以及温度变化下的增益/相位一致性。