3. 光收发模块硬件架构

相干光收发模块的硬件架构，本质上是把“电信号—光信号—电信号”的完整链路拆成若干可独立调试的功能单元。理解这条链路的器件顺序、接口形态和信号属性，是后续联调与故障定位的基础。一个典型的相干发射端由激光器、调制器、光放大器构成，接收端由光混频器、平衡探测器、跨阻放大器、ADC构成，而DAC则位于发射端电域入口。下面按信号流向逐一说明各器件的角色、关键参数与调试关注点。

发射链路：从DAC到光纤

发射端的起点是DAC。相干系统通常采用IQ调制，需要四路高速DAC分别驱动I/Q两路的同相与正交分量。以32GBaud PM-QPSK为例，DAC采样率一般取64GSa/s以上，分辨率6～8bit即可满足要求；若采用16QAM，则对DAC的ENOB和SFDR要求显著提高。DAC输出的是差分模拟电压，经驱动放大器后送入调制器的射频端口。调试时首先确认DAC输出码型与预期星座点对应，可用示波器观察差分摆幅是否落在调制器Vπ附近。

调制器通常为铌酸锂马赫-曾德尔结构，核心参数是半波电压Vπ和偏置点。IQ调制器内部包含四个子调制器和两个偏置控制端，分别控制I路、Q路的正交偏置以及I/Q之间的90°相位偏置。偏置点漂移是相干模块最常见的故障源之一，表现为星座图旋转或压缩。实际操作中，通过监测调制器输出光功率的分光比，配合偏置控制电路自动锁定在零点或正交点。若手动调试，可先加低频导频信号，观察输出光功率的二次谐波分量，将其调至最小即对应零点偏置。

调制器输出后接光放大器，通常为掺铒光纤放大器或半导体光放大器。EDFA噪声系数低、增益高，适合长距发射；SOA体积小、可集成，但噪声系数较大。调试时关注增益、输出功率和噪声系数三个指标。以EDFA为例，若输入光功率为-3dBm，增益设为20dB，则输出约17dBm；此时若噪声系数为5dB，则OSNR约为30dB左右。发射端最终输出光功率需根据链路预算确定，过高会引发非线性效应，过低则接收端OSNR不足。

接收链路：从光混频到ADC

接收端的第一步是光混频器，它将信号光与本振光进行90°混合，输出四路光信号分别对应I+、I−、Q+、Q−。光混频器的核心指标是共模抑制比和相位误差。若相位误差超过5°，星座图会出现明显的I/Q不平衡，导致误码率恶化。调试时可用偏振控制器和功率计分别测量四路输出光功率，理想情况下四路功率应基本相等，偏差不超过0.5dB。

平衡探测器将每对光信号转换为差分电流，其共模抑制比通常在30dB以上。BPD的响应度、暗电流和带宽是关键参数。以响应度0.8A/W为例，若输入光功率为-10dBm，则单路光电流约为80μA。平衡探测器输出的差分电流送入TIA，TIA将电流转换为电压，跨阻增益通常为1kΩ～10kΩ可调。调试时需注意TIA的输入失调和输出摆幅，避免饱和或截幅。

ADC位于接收链路的末端，将TIA输出的模拟电压量化为数字信号。相干接收对ADC的要求包括采样率、分辨率和ENOB。以32GBaud系统为例，ADC采样率通常为64GSa/s，分辨率8bit，ENOB约6.5bit。若ENOB不足，量化噪声会显著抬升星座点噪声，表现为EVM恶化。调试时可注入已知单音信号，观察ADC输出频谱的SFDR和SNR，判断量化性能是否达标。

关键参数与调试对照

需要特别注意的是，激光器的线宽和相对强度噪声会直接影响接收端星座点的相位噪声和幅度噪声。窄线宽激光器（如ECL，线宽<100kHz）适合高阶调制格式，而DFB激光器线宽通常在MHz量级，更适合QPSK及以下格式。调试时若发现星座点沿圆周方向扩散，应优先排查本振和信号激光器的线宽及频率偏移。此外，DAC与ADC的采样时钟必须同源或保持严格同步，否则会在数字域引入定时误差，表现为星座点沿特定方向拖尾。