2. 光通信基础
400G/800G 硅光收发器的设计，本质上是在光纤这条“带宽高速公路”上做工程取舍。要理解为什么硅光模块偏爱 O 波段、为什么 800G 常用 PAM4、为什么长距要引入相干，就必须先掌握四个基础概念：光纤传输窗口、调制格式、波分复用，以及相干与非相干通信。它们分别回答“在哪个波长传”“用什么符号传”“如何把多路信号塞进一根纤”“用什么方式把信号解出来”。
一、光纤传输窗口：损耗与色散的共同选择
石英光纤的衰减随波长变化，形成若干低损耗“窗口”。第一窗口约 850 nm，多模短距常用；第二窗口约 1310 nm，色散接近零；第三窗口约 1550 nm，损耗最低（约 0.2 dB/km），是长距相干通信的主战场。硅光模块大量工作在 1310 nm 附近的 O 波段，原因是硅材料在 1310 nm 附近吸收较小、色散较低，且与硅波导、锗探测器、调制器的工艺兼容性更好。
对 400G/800G 而言，窗口选择直接决定链路预算与调制复杂度。若在 1310 nm 用 PAM4 传 500 m 到 2 km，色散代价可控；若拉到 10 km 以上，1550 nm 的低损耗优势更明显，但需配合相干或 EML+DSP 方案。设计时通常先看“距离—速率—波长”三角关系，再决定是否引入波分复用。
二、调制格式：从 NRZ 到 PAM4 的符号效率
调制格式决定“一个符号携带多少比特”。NRZ（PAM2）每符号 1 bit，眼图简单、抗噪强，但 400G 单波 100G 时需 50 GBaud 以上，对光电器件带宽压力大。PAM4 每符号 2 bit，同样 100G 只需约 26.5 GBaud，显著降低带宽需求，代价是眼高缩小为 NRZ 的 1/3，对线性度、噪声和 DSP 均衡要求更高。800G 的 8×100G 或 4×200G 方案普遍采用 PAM4。
更高速率还会引入 PAM6、PAM8 或相干 QAM，但阶数越高，对信噪比和 ADC/DAC 分辨率要求越苛刻。硅光调制器（如 MZM、微环）的线性度、消光比和插损，直接决定 PAM4 三只眼的对称性。工程上常用 TDECQ、消光比、眼高、RIN 等指标评估调制质量。
# 典型速率与符号率关系（含 FEC 开销约 20%）
# 100G PAM4 单波： 100 Gbps / 2 bit ≈ 50 GBaud → 含开销约 60 GBaud
# 200G PAM4 单波： 200 Gbps / 2 bit ≈ 100 GBaud → 含开销约 120 GBaud
# 400G PAM4 单波： 400 Gbps / 2 bit ≈ 200 GBaud → 含开销约 240 GBaud
# 结论：速率翻倍，符号率翻倍；PAM4 把带宽压力减半，但把线性度压力加倍。三、波分复用：把多路波长塞进一根纤
波分复用（WDM）利用不同波长在同一根光纤中并行传输。粗波分（CWDM）波长间隔约 20 nm，成本低，适合短距；密集波分（DWDM）间隔 0.8 nm 或 0.4 nm，适合长距大容量。400G/800G 模块常采用 LAN-WDM（约 800 GHz 间隔，4 或 8 个波长）或 CWDM4，在 1310 nm 附近实现 4×100G 或 8×50G 的并行。硅光平台天然适合 WDM，因为微环调制器和阵列波导光栅（AWG）可在芯片上实现波长选择与复用。
WDM 设计的关键参数包括：通道间隔、中心波长、波长漂移、串扰、复用器插损与带宽。硅光微环对温度敏感，通常需要加热器调谐与闭环锁定，否则波长漂移会导致通道串扰和链路失效。
四、相干与非相干：解调方式的根本分岔
非相干通信（IM-DD，强度调制直接检测）只利用光强携带信息，接收端用光电二极管直接检测，结构简单、成本低、功耗小，是 400G/800G 短距（500 m 至 2 km）的主流。相干通信则同时利用幅度和相位，接收端用 90° 混频器与本地振荡器做相干解调，再经 ADC 与 DSP 恢复星座点，灵敏度高、频谱效率高，适合 80 km 以上长距和 800G 单波 400G 以上场景。
两者并非替代关系，而是按距离和速率分层：短距用 IM-DD + PAM4，长距用相干 + QPSK/16QAM。硅光在相干领域的机会在于集成 90° 混频器、可调激光器、调制器和探测器，降低相干模块的成本与体积。
五、案例与场景：800G 短距与长距的选型对照
以 800G 模块为例：数据中心内 500 m 场景，通常选 8×100G PAM4、1310 nm、CWDM4 或 LAN-WDM，IM-DD 直检，硅光集成调制器与探测器，功耗约 15 W 以内。若拉到 10 km 以上，则倾向 4×200G 相干或 800G 相干，采用 1550 nm C 波段、DWDM、90° 混频与 DSP，功耗和成本显著上升，但链路预算和频谱效率更优。
| 维度 | 非相干 IM-DD | 相干 Coherent |
|---|---|---|
| 携带信息 | 仅光强 | 幅度 + 相位 |
| 典型调制 | NRZ / PAM4 | QPSK / 16QAM |
| 适用距离 | 500 m ~ 2 km | 80 km ~ 数千 km |
| 接收结构 | PD + TIA | 90° 混频 + LO + ADC + DSP |
| 硅光集成点 | MZM / 微环 + Ge PD | 混频器 + 可调激光 + 调制器 |
| 成本与功耗 | 低 | 高 |
六、常见误区与复盘
误区一：认为 PAM4 一定比 NRZ 好。PAM4 降低符号率，但眼高缩小、线性度要求提高，短距低成本场景 NRZ 仍有价值。
误区二：把 WDM 当成“免费扩容”。波长漂移、串扰、复用器插损都会吃掉链路预算，硅光微环必须做温度闭环。
误区三：认为相干一定优于非相干。相干在短距下功耗和成本不划算，IM-DD 仍是 500 m 至 2 km 的主流。
设计复盘时建议按“距离 → 波长 → 调制 → 复用 → 解调”顺序逐层确认：先锁定传输窗口，再根据速率选 PAM4 或相干 QAM，最后决定是否 WDM 以及用 IM-DD 还是相干接收。四者环环相扣，任何一层选错都会导致链路预算或功耗失控。
掌握这四个基础概念后，后续讨论硅光调制器、探测器、DSP 与封装时，就能清楚每个器件在系统中的位置与约束来源。400G/800G 的设计不是单点最优，而是在窗口、调制、复用与解调之间找到与距离和成本匹配的平衡点。