3. 光发射机与调制格式

相干光通信的发射端，本质上要完成一件事：把两路独立的基带电信号（I 路和 Q 路）线性地搬到光载波的幅度与相位上，使光场的复包络 E(t)=A(t)·e^{jφ(t)} 精确复现数字调制符号。理解这条链路，需要从最基础的相位调制单元开始，逐级搭到 IQ 调制器，再落到星座映射这一“数字—光场”的接口上。

一、从相位调制到马赫-曾德尔调制器

光相位调制器（PM）利用电光效应改变波导折射率，使通过的光产生相位延迟 φ=π·V/V_π，其中 V_π 是使相位改变 π 的半波电压。PM 只改相位不改幅度，输出光场为 E_in·e^{jφ}，在复平面上是沿单位圆移动的点，无法独立控制幅度。

马赫-曾德尔调制器（MZM）把输入光分成两条臂，各自施加电压后重新合束。设两臂相位分别为 φ₁、φ₂，则输出为

E_out = (E_in/2)·( e^{jφ1} + e^{jφ2} )
      = E_in·cos(Δφ/2)·e^{j(φ1+φ2)/2},  Δφ = φ1 − φ2

可见 MZM 同时提供幅度因子 cos(Δφ/2) 和公共相位 (φ₁+φ₂)/2。工程上通常采用推挽驱动：两臂电压反相，φ₁=−φ₂=πV/(2V_π)，此时公共相位为零，只剩幅度调制，传输函数为 cos(πV/(2V_π))。这就是强度调制（IM）的工作点。

MZM 的传输曲线是余弦形，存在三个关键偏置点：峰值点（Δφ=0，输出最大）、零点（Δφ=π，输出为零）、正交偏置点（Δφ=π/2，输出为峰值的一半）。数字调制必须工作在正交点附近，因为此处斜率最大、线性度最好；若偏置漂移到峰值或零点，调制效率下降且产生偶次谐波失真。实际器件用偏置控制电路（导频抖动+锁相检测）把工作点稳定在正交点。

二、IQ 调制器：把复数符号搬到光场

单个 MZM 只能调幅度，要同时控制 I、Q 两个自由度，需要把两个 MZM 并联，再在其中一个输出臂上加 90° 相移，这就是 IQ 调制器。结构上：

• 输入光经分束器一分为二，分别进入 I 支路 MZM 和 Q 支路 MZM；
• I 支路输出直接进入合束器；Q 支路输出先经过一个 π/2 相位偏置（由第三个 MZM 或热光移相器实现）；
• 两路合束后，输出光场为 E_out ∝ E_I + j·E_Q。

若 I、Q 支路都工作在推挽正交点，且驱动电压为 v_I(t)、v_Q(t)，则

E_out(t) ∝ cos( π·v_I(t)/(2Vπ) ) + j·cos( π·v_Q(t)/(2Vπ) )

在小信号近似下，cos(πv/(2V_π)) ≈ 1 − (πv/(2V_π))²/2，并非线性。因此实际 IQ 调制器需要预失真（pre-distortion）或采用差分驱动，把符号映射到电压时补偿余弦非线性。更常见的做法是：把目标复符号 (I,Q) 先归一化到 [−1,1]，再通过反余弦查表得到驱动电压，使光场幅度与符号成正比。

三、星座映射：QPSK、16QAM、64QAM

星座映射把比特组映射为复平面上的点 (I,Q)。映射规则决定了每个符号携带的比特数：QPSK 每符号 2 bit，16QAM 每符号 4 bit，64QAM 每符号 6 bit。在相同符号率下，阶数越高，频谱效率越高，但星座点间距越小，对信噪比和发射机线性度的要求越苛刻。

以 16QAM 为例，一种常用的格雷映射规则是：I 路和 Q 路各取 4 个电平 {−3,−1,+1,+3}（归一化后为 {−3/√10, −1/√10, +1/√10, +3/√10}），每个电平对应 2 bit，且相邻电平只差 1 bit。这样在加性高斯白噪声下，一个符号错到相邻点时只产生 1 bit 错误，降低误比特率。

实际映射时，DSP 先做比特到符号的映射，再对 I、Q 分别做脉冲成型（根升余弦，滚降系数常取 0.1～0.2），然后送入 DAC。DAC 输出经驱动放大器后加到 IQ 调制器的 I、Q 电极上。需要注意：DAC 的满量程要与 MZM 的 V_π 匹配，否则符号会削顶，高阶星座的外圈点被压缩，误码率急剧上升。

四、工程实现中的关键约束

把上述结构落到实际发射机，有几个必须处理的约束。

第一，非线性补偿。MZM 的余弦传输特性意味着“电压—光场”不是线性的。若直接把符号电压线性加到电极上，16QAM 外圈点会被压缩，星座呈“十字形”畸变。解决办法是在 DSP 中做反余弦预失真：对目标归一化幅度 a∈[0,1]，驱动电压取 V=(2V_π/π)·arccos(a)。这样光场幅度就与 a 成正比。

第二，偏置漂移。I、Q 两个 MZM 的正交点，以及 I/Q 之间的 90° 相位，都会因温度、直流漂移而变化。典型做法是在偏置电压上叠加一个低频导频（如 1 kHz 正弦），在输出端检测该频率的一次谐波分量，用锁相环把偏置拉回正交点。三路环路独立工作，互不干扰。

第三，驱动幅度与消光比。MZM 的消光比有限（典型 20～30 dB），零点不能完全关断，导致星座点向原点收缩。高阶调制对此更敏感。选型时应优先保证消光比，并在 DSP 中通过星座点归一化补偿残余偏移。

第四，IQ 不平衡。I、Q 两路的增益和延时不可能完全一致，会造成星座图“斜椭圆”畸变。可在发射端 DSP 中加入 IQ 不平衡预补偿：估计两路幅度比和相位偏差，在映射后乘一个 2×2 校正矩阵。

五、从符号到光场的检查清单

调试一台 IQ 发射机时，可按以下顺序逐项确认，每项都有明确的观察对象和判断依据：