3. 光发射机PAM4调制方案
PAM4光发射机的核心任务，是把两路NRZ比特流映射为四电平幅度信号，再以尽可能小的代价把该电信号“搬”到光域。与NRZ只有“亮/暗”两个状态不同，PAM4要求四个光功率电平在接收端仍能被清晰区分，因此发射机不仅要完成调制，还要保证幅度线性、消光比、眼图张开度和温度稳定性。本节围绕两条主流技术路线——直接调制激光器（DML）与电吸收调制激光器（EML）——展开原理、驱动电路、线性度与消光比优化，并给出眼图测试的实操方法。
一、DML与EML的调制机理差异
DML通过改变注入电流直接调制半导体激光器的输出功率。电流高于阈值后，输出光功率近似与注入电流成正比，因此把PAM4电流信号叠加在偏置电流上，即可得到四电平光功率。DML结构简单、成本低、功耗小，但存在两个固有短板：一是弛豫振荡导致带宽受限，典型3dB带宽约20～30GHz；二是啁啾效应，电流变化引起载流子浓度变化，进而改变折射率，使输出光频率随幅度抖动，在长距离光纤中与色散耦合后造成眼图闭合。
EML采用“恒定发光+外部调制”的思路：DFB激光器以恒定电流输出连续光，电吸收调制器（EAM）作为独立器件，通过反向偏压改变其吸收边，从而控制透射光强。EAM的调制电压与光透过率呈非线性关系，但通过偏置点选择和预失真可改善线性度。EML的啁啾远小于DML，适合10km以上传输，代价是结构复杂、成本高、插入损耗约3～6dB。
二、PAM4驱动电路设计要点
PAM4驱动电路需要把两路NRZ数据（MSB与LSB）合成为四电平模拟电流或电压。常见实现有两种：电流舵DAC型驱动和电压模式驱动。电流舵型通过三组开关电流源按1:2:1比例叠加，产生0、1、2、3四个电流台阶，输出到DML时直接叠加偏置电流。设计时需注意：三组电流源的匹配误差应控制在1%以内，否则四电平间距不均，接收端判决门限偏移。
以DML为例，假设目标消光比ER=6dB，平均光功率P_avg=0dBm（1mW），则P0与P3的关系为ER=10log10(P3/P0)=6dB，即P3/P0≈3.98。四电平等间距时，P1和P2分别为P0+(P3-P0)/3和P0+2(P3-P0)/3。若P0=0.2mW，则P3≈0.796mW，P1≈0.399mW，P2≈0.598mW。驱动电流台阶需与激光器P-I曲线斜率匹配，通常通过可调增益放大器校准。
EML驱动则需产生反向偏压信号，典型调制电压摆幅为1.5～2.5Vpp，偏置点选在透过率曲线的线性区中点。由于EAM的C-V特性非线性，驱动电路常加入预失真网络或使用差分驱动以改善线性度。
三、线性度与消光比优化
线性度直接决定PAM4四电平是否等间距。DML的非线性主要来自阈值附近的软拐点和弛豫振荡；EML的非线性来自EAM吸收随电压的指数变化。优化手段包括：
- 偏置点优化：DML偏置电流设在阈值以上3～5倍阈值电流处，避开非线性区；EML偏置电压设在透过率曲线斜率最大点附近。
- 预失真：在驱动信号上叠加与非线性相反的补偿曲线，可用查找表实现，校准后THD可改善3～6dB。
- 消光比提升：提高P3/P0比值，但P0过低会延长激光器开启延迟，通常ER控制在4～7dB之间。ER过高还会导致P0接近阈值，增加图案相关抖动。
- 温度控制：DML阈值电流随温度漂移约0.5%/°C，需TEC闭环稳定在±0.1°C；EML的EAM偏压也需温度补偿。
四、发射眼图测试方法
发射眼图是PAM4发射机最直接的性能判据。测试连接为：发射机光输出经可调光衰减器接入高速光示波器（带宽≥25GHz），示波器触发时钟取自发射机参考时钟。测试步骤：
- 设置示波器为PAM4眼图模式，采样率≥80GSa/s，记录长度覆盖至少1000个UI。
- 调整光衰减器使接收光功率在示波器线性范围内（典型-3～+3dBm）。
- 开启时钟恢复，观察四电平眼图。合格判据：每只眼张开度≥20%UI，电平间距不均匀度≤10%，消光比≥4dB。
- 若眼图闭合，先检查驱动幅度是否足够，再检查偏置点是否漂移，最后排查连接器反射和光纤色散。
综合来看，DML适合短距、低成本场景，EML适合长距、高性能场景。驱动电路设计需围绕线性度和消光比做折中，眼图测试则是验证设计是否达标的最终关口。实际调试中，建议先固定温度与偏置，再扫描驱动幅度，以眼图张开度最大化为目标完成校准。