两公里的链路，波长为什么还留在 1310 nm

1310 nm 的衰减是 0.35 dB/km，1550 nm 是 0.20 dB/km，看起来该往长波长走。算到两公里，两者只差 0.30 dB，而 1550 nm 的色散是 17 ps 每纳米每公里。想在 1550 nm 上开宽栅格，两公里就能累积到三十多个 UI；想开窄栅格，温度预算只剩 1 K。省下的这 0.3 dB，代价落在器件上。

两公里的损耗只差 0.3 dB

单模光纤的衰减曲线有一个很明确的形状。1310 nm 附近是 0.35 dB/km，1550 nm 附近降到 0.20 dB/km，中间的 1383 nm 被羟基吸收峰顶起来，形成一个尖。

机房内和楼间的链路，长度通常在一百米到两公里之间。按两公里算，1310 nm 累计损耗 0.70 dB，1550 nm 累计 0.40 dB，差值 0.30 dB。

0.30 dB 是什么概念。一个 MPO 连接器的典型插入损耗是 0.35 dB，一对法兰盘加上跳线的损耗就能超过这个数。也就是说，光模块换成 1550 nm 之后省下的那点功率，很可能被一个多余的连接点吃掉。

图 1　G.652.D 单模光纤的衰减随波长分布（依据 ITU-T G.652 建议书与原文第 2 节数据绘制）

色散是栅格宽度的函数

损耗之外还有一项，在 1310 nm 上等于零。

G.652 光纤的零色散波长落在 1300 到 1324 nm 之间，1310 nm 正好在这个窗口里。色散系数按 17 ps 每纳米每公里算，1550 nm 就是这个数；1310 nm 只有零点几。

累计色散由一个很简单的乘积给出：

Δτ = D × Δλ × L

D 是色散系数，Δλ 是光源的光谱宽度或者波分栅格的宽度，L 是长度。三项里 D 由光纤决定，L 由场景决定，只有 Δλ 是设计者能选的。所以色散代价实际上是一个栅格宽度的函数。

把色散换算成 UI，才能和信号对上。

100G PAM4 的符号率是 53.125 GBd，一个 UI 是 18.82 皮秒。2 km 链路，1550 nm，色散 17 ps 每纳米每公里，代入上面的乘积：

栅格 0.8 nm，也就是 DWDM 的 100 GHz，累计色散 27.2 ps，折合 1.45 UI。

栅格 6.4 nm，LWDM 的 800 GHz，累计 217.6 ps，折合 11.6 UI。

栅格 20 nm，CWDM，累计 680.5 ps，折合 36.2 UI。

图 2　不同 WDM 栅格宽度在 2 km 上的累计色散（依据原文第 3 节色散模型与 ITU-T G.694.1 绘制）

三个数字指向同一件事。1550 nm 上只要用宽于 100 GHz 的栅格，色散展宽就超过一个 UI，接收端的均衡器要处理的不是一个码间干扰的尾巴，而是整段波形被抹平。PAM4 本身对幅度噪声的容忍度就比 NRZ 差 9.54 dB，再叠上超过一个 UI 的色散，链路预算很快见底。

补偿是可以做的，代价是功耗。短距链路的均衡器从 FFE 做到 DFE 再做到 MLSE，每加一级，功耗和时延都往上抬。省下来的 0.30 dB 光功率，换来的是几瓦的 DSP 功耗，这笔账在模块里是倒挂的。

啁啾和链路预算的账

还有一个参数决定了这 0.30 dB 能不能拿稳，就是激光器的线宽增强因子，业内记作 α。

直调激光器靠调电流改输出，电流一变，有源区载流子浓度跟着变，折射率也跟着变，波长就在调制过程中来回摆。这个摆动叫啁啾，幅度由 α 决定。DFB 直调激光器的 α 在 3 到 5 之间，电吸收调制器的 α 小于 1。

啁啾碰上色散会转换成额外的功率代价。1550 nm 上 2 km，D 乘 L 是 34 ps/nm，α 取 4 的话，动态波长摆动两三个纳米，展宽就能到几十皮秒，比前面算的静态色散还大。

所以 1550 nm 的短距链路即使只用 2 km，也倾向用 EML 而不是 DML。EML 的 α 小，啁啾代价小，但器件结构复杂，成本比 DML 高出一截，驱动电压也更高。省 0.30 dB 损耗的代价，又多加了一项。

1310 nm 上这个问题不存在。零色散窗口里啁啾再大也转不成码间干扰，DML 可以直接用，α 是 5 还是 3 都不影响。

把 0.30 dB 放回链路预算里看，更容易判断值不值。

一个 800G 的 2 km 链路，典型预算大致是这样：发射光功率扣掉调制器插损之后剩下几 dBm，接收端灵敏度在负几 dBm，中间要分给连接器、光纤衰减、老化余量和色散代价。

连接器这一项，一个 MPO 一对就是 0.7 dB 上下；光纤熔接点每个 0.1 dB；老化余量通常留 1 dB 到 3 dB。0.30 dB 在这个表里大约相当于一个熔接点加半个连接器，或者老化余量的十分之一。

换句话说，它有用，但不足以改变架构。真要省功率，把连接器数量减一个、把熔接质量提一档，收益和换波长是同一量级，成本却低得多。

窄栅格把温度预算压到 1 K

那就用 100 GHz 的窄栅格。色散回到 1.45 UI，可以接受。但窄栅格对波长稳定性的要求跟着收紧。

硅的折射率温度系数是 1.86 乘 10 的负 4 次方每开。对 1550 nm 的硅波导，这个系数换算成波长漂移约 0.07 nm 每开。

DWDM 的 100 GHz 栅格在 1550 nm 对应 0.8 nm 间距。要把波长锁在栅格中心的正负十分之一以内，容差是 0.08 nm。用 0.07 nm 每开去除，温度预算只有 1.1 K。

1 K 意味着必须上 TEC，而且要闭环控制。TEC 本身的功耗在 0.5 W 到 2 W 之间，取决于环境温度和散热设计。对一个总功耗预算几瓦的 800G 模块来说，这是两位数百分比的增量。

1310 nm 完全不吃这一套。零色散窗口宽，单波长链路里波长漂几个纳米都不影响传输；即使用 CWDM 的 20 nm 栅格，容差也是 1550 nm 窄栅格的二十五倍，靠封装和自然散热就能守住，不需要 TEC。

1310 nm 上三件事同时省掉

把账合起来看，2 km 链路选 1310 nm，省掉的是三样东西，不是一样。

第一是色散补偿。零色散窗口里，直调激光器的啁啾不会转成码间干扰，接收端用一个简单的 FFE 就够，DFE 和 MLSE 都可以不要。

第二是 TEC。波长容差宽，激光器可以在宽温范围内自由漂移，省掉制冷器和它的控制环路。

第三是光源本身。1310 nm 的 DML 是成熟工艺，成本低、驱动简单；1550 nm 要高功率就得用 EML 或者外腔激光器，器件贵一档，驱动也复杂一档。

三样加起来，价值远超 0.30 dB。

这里要补一句平衡。硅光平台在 1550 nm 上的波导损耗和调制效率都更好，所以长距的硅光模块基本都在 1550 nm。短距共封装光学之所以还有大量方案留在 1310 nm，靠的不是波导指标，是零色散带来的系统简化：不用补偿，不用锁波长，DSP 可以砍到最简。

把两条路线的开销按项列出来，差距比单个数字清楚。

1310 nm 这一列：光源用 DML，成本低；光纤 2 km 衰减 0.70 dB；色散代价近似为零，接收端一个短 FFE 就够；波长容差宽，封装里不需要 TEC；DSP 只做基本的均衡和时钟恢复。

1550 nm 这一列：光源要 EML 才能压住啁啾；光纤衰减 0.40 dB，比对面少 0.30 dB；色散按 100 GHz 栅格算是 1.45 UI，均衡器要加抽头；波长容差 0.08 nm，要 TEC 加波长锁定；DSP 的功耗和时延都往上走。

逐项抵下来，1550 nm 只在第二项赢，其余四项全输。0.30 dB 的收益要覆盖后面四项的代价，2 km 这个长度上做不到。

长距和短距是两本账

这套算法只在短距成立，换成 10 km、40 km，结论会翻过来。

长距链路里，衰减是主导项。10 km 上差值只有 1.5 dB，还不算大；40 km 上就到了 6 dB。0.15 dB/km 的差值在 40 km 上累积成 6 dB，这个量级已经不是连接器能吃掉的了，必须往 1550 nm 走。到了那一步，色散补偿和 TEC 的成本被摊薄，EDFA 也只在 1550 nm 窗口有效，账就完全反过来。

所以波长选择没有普适答案，它由长度决定。数据中心内部的 2 km 以内，损耗差 0.3 dB 不足以支付色散和温控的代价，1310 nm 是合算的；跨园区的 10 km 以上，损耗差变成主导，1550 nm 才有意义。

一句话，短距链路的波长不是选衰减最低的那一个，是选总代价最低的那一个。

内容来源：Applied Sciences（MDPI 开放获取，CC BY 4.0）；ITU-T G.652、G.694.1 建议书

原文标题：Recent Advances in Equalization Technologies for Short-Reach Optical Links Based on PAM4 Modulation: A Review

作者：Honghang Zhou，Yan Li，Yuyang Liu 等

DOI：10.3390/app9112342

配图说明：两张图均为自行绘制，为原理示意，非原文原图复制。

改动声明：本文为对开放获取文献与公开标准的技术编译与解读，标题、行文与配图为原创。

来源：21ic电子网