3. 光模块与带宽能力

光模块是光通信系统容量与带宽规划中最直接的“能力载体”。链路能跑多快、能传多远、需要占用多少波道资源，最终都要落到具体的光模块型号上。理解光模块，不能只看封装和速率标签，而要抓住三个核心参数：调制格式决定每符号携带多少比特，频谱效率决定单位带宽能承载多少容量，传输距离则受色散、OSNR 和功率预算共同约束。三者相互制约，选型本质上是在容量、距离、成本与功耗之间做权衡。

调制格式：从“开关键控”到“多电平相干”

低速光模块（如 10G 及以下）普遍采用 NRZ（OOK），即用“有光/无光”表示 1 和 0，每符号 1 bit，实现简单、成本低，但频谱效率只有约 1 bit/s/Hz。到了 25G/50G 单波，若仍用 NRZ，波特率会逼近器件带宽极限，于是引入 PAM4：用四个光功率电平表示 2 bit，每符号携带 2 bit，波特率减半，代价是电平间隔变小，对信噪比和线性度要求更高。

100G 及以上长距传输则转向相干调制。常见格式包括 QPSK（2 bit/符号）、8QAM（3 bit/符号）、16QAM（4 bit/符号）和 64QAM（6 bit/符号）。相干接收同时利用光信号的幅度和相位，配合 DSP 补偿色散与偏振，使单波 200G/400G 成为可能。一个直观的规律是：调制阶数越高，频谱效率越高，但抗噪能力越弱，可传输距离越短。

频谱效率与波道规划

频谱效率（SE）定义为净速率除以占用带宽，单位 bit/s/Hz。它直接决定一根光纤能塞下多少波道。以 50GHz 栅格 DWDM 为例：若单波用 100G QPSK，占用约 37.5GHz 有效带宽，SE≈2.67 bit/s/Hz；若换成 400G 16QAM，占用约 75GHz，SE≈5.33 bit/s/Hz，单波容量翻两番，但同样 50GHz 栅格下只能隔波使用，波道数减半。规划时常用公式估算：总容量 ≈ 可用带宽 × 平均频谱效率 × 波道数。例如 C 波段 4THz 可用带宽，若平均 SE 取 3 bit/s/Hz，理论上限约 12Tbps；实际还要扣除保护带、FEC 开销和边缘波道劣化，工程上常按 70%~80% 折算。

传输距离的约束与判断

传输距离不是模块标称的孤立数字，而是由功率预算、色散容限和 OSNR 余量共同决定。NRZ 模块通常给出 10km、40km 等固定规格；相干模块则用“无电中继距离”描述，且与调制格式强相关。判断链路是否可行，可按以下顺序核算：

1. 功率预算：发射功率 − 接收灵敏度 ≥ 光纤衰减 + 连接器损耗 + 裕量。G.652 光纤在 1550nm 约 0.2dB/km，若发 0dBm、收敏 −20dBm，则 80km 光纤衰减 16dB，加 3dB 连接器与 3dB 裕量，刚好卡边。
2. 色散核算：G.652 色散系数约 17ps/(nm·km)，80km 累积约 1360ps/nm。NRZ 10G 色散容限约 800ps/nm，需加色散补偿模块；相干 DSP 可容忍数万 ps/nm，通常无需额外补偿。
3. OSNR 校验：高阶调制对 OSNR 要求更高。16QAM 在 400G 下通常要求 OSNR ≥ 22dB，而 QPSK 仅需约 13dB。若链路 OSNR 不足，应降阶到 8QAM 或 QPSK，牺牲容量换距离。

选型依据与决策示例

实际选型可归纳为一张决策表。假设某城域链路长 60km，G.652 光纤，可用 OSNR 约 20dB，目标单波 400G：

该示例说明：选型不是选“最高速率”，而是选“在给定距离和 OSNR 下能稳定工作的最高频谱效率格式”。若链路 OSNR 只有 20dB，400G 16QAM 无法闭合，应降为 8QAM；若波道资源紧张，则宁可牺牲部分距离余量也要保住 16QAM。工程上还常留 3dB 系统裕量，用于老化、灰尘和温度漂移。

最后需要强调，光模块的标称速率（如 400G）是线路侧聚合速率，实际可用净速率还要扣除 FEC 开销（通常 15%~25%）和帧开销。规划带宽时，应以净荷速率为准，而不是模块标签速率。例如 400G 16QAM 扣除 15% FEC 后，净荷约 340G；若业务需要 350G，则必须选用 600G 模块或双波捆绑。只有把调制格式、频谱效率、传输距离和开销统一纳入计算，光模块选型才能真正支撑起整网的容量与带宽规划。