2. IMDD链路系统架构
IMDD（Intensity Modulation Direct Detection，强度调制直接检测）链路的系统架构可以概括为三个功能域的串联：发射机（Tx）把电域二进制数据转换为光功率随时间变化的强度信号；光纤信道把光信号从一端传输到另一端，同时引入衰减、色散和非线性；接收机（Rx）把光功率变化还原为电信号并判决出比特。理解这条链路的关键，不是记住三个模块的名字，而是看清信号在每个模块内部经历了哪些物理量的转换、哪些参数在起作用、哪些损伤在何处被引入。
一、发射机：从电比特到光强度
发射机的核心任务是把“0/1”映射为“低/高光功率”。以典型的 25 Gb/s NRZ（不归零码）直接调制链路为例，其内部信号流向为：
电输入 → 驱动器（Driver）→ 激光器（DML/EML）→ 光输出
电输入是来自 SerDes 或 FPGA 的差分电压摆幅信号，典型峰峰值约 300～800 mV。驱动器的作用有两个：一是把电平摆幅放大到激光器所需的调制幅度（例如 EML 常需 1.5～2.5 Vpp），二是提供偏置电流（Bias）与调制电流（Modulation Current）的叠加。对直接调制激光器（DML）而言，偏置电流决定工作点，调制电流决定消光比（ER）。若偏置设在阈值电流 Ith 附近，输出“0”电平接近阈值以下，输出“1”电平由 Ibias+Imod 决定。消光比可近似表示为：
ER(dB) = 10·log10(P1 / P0)
P1 ∝ (Ibias + Imod − Ith)
P0 ∝ (Ibias − Ith)例如取 Ith=10 mA、Ibias=25 mA、Imod=20 mA，则 P1 正比于 35 mA，P0 正比于 15 mA，ER≈3.7 dB。若把 Ibias 降到 18 mA，P0 正比于 8 mA，ER≈6.4 dB，但代价是“0”电平更接近阈值，啁啾和弛豫振荡会恶化。这说明发射机内部各参数并非独立，而是通过工作点耦合在一起。
发射机输出端通常还包含一个光监控点（MPD）和背光电流采样，用于闭环控制偏置与调制电流，使光功率和 ER 在温度变化下保持稳定。信号在此处完成“电→光”的第一次域转换，输出的是光功率 P(t)，而不是光场相位。
二、光纤信道：衰减、色散与非线性
光纤信道不是理想导线。对 IMDD 链路，它主要引入三类损伤：
- 衰减：标准单模光纤在 1310 nm 约 0.35 dB/km，在 1550 nm 约 0.2 dB/km。10 km 链路在 1550 nm 约损耗 2 dB，若含 4 个连接器（每个 0.3 dB）和 2 个熔接点（每个 0.1 dB），总链路预算约 3.4 dB。
- 色散：DML 的调制伴随频率啁啾，与光纤色散共同作用会把强度脉冲展宽。G.652 光纤在 1550 nm 的色散系数约 17 ps/(nm·km)，10 km 约 170 ps/nm。对 25 Gb/s NRZ，若光源谱宽 0.1 nm，色散致脉冲展宽约 17 ps，已接近 40 ps 的 UI，眼图会明显闭合。
- 非线性：入纤功率过高时，自相位调制（SPM）与四波混频会改变脉冲形状。IMDD 链路通常把入纤功率控制在 +3～+6 dBm 以内，以兼顾 OSNR 与非线性代价。
因此，光纤信道在架构上应被理解为“带损耗和记忆效应的传输函数”，而不是透明管道。工程上常在信道中插入光放大器（如 SOA 或 EDFA）或色散补偿模块（DCM），但每插入一个器件，都要重新核算噪声系数与净增益。
三、接收机：从光功率到电比特
接收机的信号流向为：
光输入 → 光电探测器（PD/APD）→ 跨阻放大器（TIA）→ 主放大器/限幅器 → 时钟数据恢复（CDR）→ 电输出
光电探测器完成“光→电”转换，输出光电流 Ipd=R·P，其中 R 为响应度（典型 0.8～1.0 A/W）。若接收光功率为 −10 dBm（即 0.1 mW），R=0.9 A/W，则 Ipd≈90 μA。TIA 把该电流转换为电压，增益常以 V/A 表示，例如 5 kΩ 跨阻对应 90 μA×5 kΩ=450 mV 的电压摆幅。TIA 的输入等效噪声电流密度（pA/√Hz）与带宽共同决定接收灵敏度。
接收机中值得关注的判断依据是眼图与 BER。在 25 Gb/s 下，若眼高低于约 50 mV、眼宽低于 0.3 UI，CDR 的判决裕量就不足，BER 会迅速恶化。工程上常通过调整 TIA 增益、均衡器（CTLE/DFE）抽头或判决阈值来重新打开眼图。接收机输出的电信号最终由 CDR 恢复时钟并重定时，形成干净的 25 Gb/s 数据流。
四、整条链路的信号流向与预算关系
把三个模块串起来，可以看到一条清晰的“域转换链”：电比特 → 光强度 → 光强度（经信道劣化）→ 光电流 → 电压 → 电比特。每一级都对应一个可测量的物理量和一组可调参数。链路能否工作，取决于发射光功率、信道损耗、接收灵敏度三者是否满足：
P_tx − L_channel − M_system ≥ P_sensitivity
其中 M_system 为系统裕量，通常取 3～4 dB例如 Ptx=0 dBm、Lchannel=3.4 dB、Psensitivity=−14 dBm，则裕量为 10.6 dB，链路余量充足；若把 Ptx 降到 −3 dBm，裕量降为 7.6 dB，仍可工作但抗老化能力下降。这个简单的不等式，正是发射机、信道、接收机三个模块在架构上必须协同设计的根本原因。
从架构角度看，IMDD 链路的三个模块并不是简单拼接，而是通过“光功率”这一共同物理量耦合在一起。发射机决定 Ptx 和 ER，信道决定 Prx 和脉冲形状，接收机决定在给定 Prx 下能否正确判决。任何一处的参数变化，都会沿着这条信号流向传递到最终的 BER。因此，实际调试时应先确认发射光功率与 ER 是否达标，再核算信道损耗与色散代价，最后检查接收眼图与灵敏度，而不是孤立地调整某一个模块。