偏振分集多花一倍面积，这笔插损算到谁头上

硅光（Silicon Photonics，SiPh）把偏振分集当成随手可取的鲁棒性，代价是一颗偏振旋转分束器在发射端吃掉 1.5 dB。这 1.5 dB 换成激光器的电功率是 42%，换成 8 通道的模块功耗是 0.55 W。

一句话答案　1.5 dB 插损放发射端要按电光效率放大成 42% 激光电功率，放接收端只吃灵敏度余量。

硅波导的双折射，制造的是不确定

硅波导的截面是 500 nm × 220 nm 的矩形，横向与纵向的等效折射率差在 0.05 量级，拍长只有十几微米。这个双折射让 TE 与 TM 在同一个器件里走两条不同的路。

这个差别在共封装光学（Co-Packaged Optics，CPO）里被放大。CPO 把光引擎挪到交换芯片旁边，光纤从面板走到封装边，中间要过 90° 弯和密集的跳线区，偏振态的漂移比可插拔模块快一个量级。

单模光纤那头相反，圆对称、双折射极小，拍长在 10 m 量级。光纤里的偏振态在温度、应力、弯折的作用下秒级漂移，进到 PIC 的输入端时朝向哪个轴是随机的。

定义一句：偏振相关损耗是指器件对不同偏振态输入呈现不同插入损耗的现象，数值上等于最大与最小插损之差。它造成的问题不是损耗大小，是损耗不确定。这一点在台架上测不出来，跳线固定时偏振态几乎不动，只有装进机柜才开始漂。

单偏振的账：平均 3 dB，最坏没有上限

只做 TE 的设计里，接收功率正比于 cos²α，α 是输入偏振态与 TE 轴的夹角。α 从 0 走到 90°，损耗从 0 dB 走到无穷大。

按公开参数测算：α 在 0 到 90° 均匀分布时，cos²α 的平均值是 0.5，对应平均损耗 3.0 dB。α 等于 30° 时损耗 1.2 dB，45° 时 3.0 dB，70° 时 9.3 dB。

失效场景是偶发误码。现象是链路误码率在几小时内从 1E-9 跳到 1E-6 再自己恢复，抓包看不到规律，换模块也复现不了。原因是机柜风扇启停改变了跳线的应力，偏振态被推到深衰落点。处置是在链路里加一段偏振扰偏器，把漂移周期压到毫秒级，让前向纠错能把突发错误摊平。

用偏振分析仪在机柜里连续测 24 小时，偏振态走过的角度基本覆盖 0 到 90 度全域，驻留时间最长的一段停在 60 度附近，那一段的损耗是 6 dB。

现场遇到的不是平均值，是那几次 70°。链路余量 4.2 dB 的 800G 链路，偏振态漂到 70° 就只剩 -5.1 dB 余量，误码率直接掉下去，过几秒又恢复。这类故障最难查，因为它自己会好。

图 1　偏振分集收发链路（自行绘制，为原理示意，非原文原图复制）

PSR 的 1.5 dB 从哪来

偏振旋转分束器（Polarization Splitter and Rotator，PSR）把任意偏振输入拆成两路 TE，一路直通，一路旋转 90°。公开报道的 70 nm 浅刻蚀方案给出转换效率高于 95%、插损低于 1.5 dB、长度 30 µm、串扰优于 -20 dB，覆盖 1250 nm 到 1650 nm。

没有 PSR 的硅光调制器本身就偏振相关。 depletion 型马赫曾德尔调制器的 Vπ 在 TE 下是 5 V 量级，TM 下要 8 V 以上，同样的驱动电压下 TM 的调制深度只有 TE 的六成，眼图直接闭合。

95% 的效率对应 0.22 dB 的理论插损，实测 1.5 dB 说明多出来的 1.28 dB 花在模式演化的锥形段和与单模光纤的模场匹配上。这一段损失随波长单调，短波端更差。

插损的波长依赖不能忽略。1250 nm 到 1650 nm 的 400 nm 跨度里，同一个 PSR 的插损能差 0.6 dB，短波端更差，原因是锥形段的模式约束在短波端更弱。

截至 2026 年 10 月，800G 商用 PSR 的插损普遍落在 1.2 到 1.8 dB，实验室最好水平约 0.8 dB。做链路预算时按 1.5 dB 取值是稳妥的。

发射端付 1.5 dB，要按电光效率还

1.5 dB 是光功率的 0.708 倍。同样的入眼功率，激光器要多出 41% 的光，电功率按同一比例涨。

按公开参数测算：DFB 激光器含 TEC 的电光转换效率取 12%，出纤 20 mW 对应电功率 167 mW。补偿 1.5 dB 后要 28.3 mW 出纤，电功率 236 mW，单通道多 69 mW。

8 通道乘起来是 0.55 W。800G QSFP-DD 整模块功耗 16 W，这一项占 3.4%。看着不大，但在 1U 32 口的交换机上，单机多出 17.6 W，风冷余量本来就只剩几个百分点。

这笔电功率在交换机侧还会被电源转换效率放大一次。按 90% 的板级转换效率折算，0.55 W 的光层代价在墙插端是 0.61 W。1.6T 把通道数翻倍后这一项变成 1.2 W，光源预算从 1.2 W 提到 2.4 W 时，偏振分集是第一个该重新考虑的环节。

表注：平均偏振相关损耗按偏振态均匀分布取 cos²α 的均值；PIC 面积按调制器与探测器数量折算，偏振分集要两套；基准链路余量 4.2 dB 指偏振对准 TE 轴时的值。

图 2　偏振角对链路余量的影响（自行绘制，据公开参数重绘，非原文原图复制）

从图 2 能读出一个具体数字：单偏振只有在偏振角偏离 TE 轴 33° 以内时，余量才高于偏振分集的 2.7 dB。33° 对应 cos²α 等于 0.708，也就是 1.5 dB 那一条线。

把这 1.5 dB 挪到接收端，账就变了

行业通行说法是偏振分集能提升链路鲁棒性，所以在收发两端都做，前端加了 PSR 之后整条链路就偏振无关了。这个说法在发射端站不住。发射端加 PSR，付出的是激光器的电功率，而电功率在 CPO 架构里由外置光源统一供给，一个光源带 8 到 16 路，插损是按路数乘起来算的。接收端加 PSR，付出的是 1.5 dB 灵敏度余量，而 800G 的接收端普遍还有 2 dB 以上的余量，这 1.5 dB 是花得起的余钱。边界条件可以量化：接收端余量高于 1.5 dB 时，PSR 放接收端的总代价折合 0.15 W/模块，放发射端是 0.55 W/模块，差 3.7 倍。接收端余量低于 1 dB 时，这个选择反过来，只能从发射端补。还有一条边界是波长。1310 nm 波段的 PSR 工艺窗口比 1550 nm 窄，同一版设计在 O 波段的插损要多 0.3 dB，短距 800G 多数跑在 1310 nm，这 0.3 dB 要提前算进预算。

选型：800G DR8 走一遍

按以下约束走一遍选型：8 通道 100G PAM4、500 m 单模、链路余量 4.2 dB、模块功耗上限 16 W、PIC 面积上限 6 mm²、单模块光源预算 1.2 W。

候选三个：单偏振加偏振跟踪、偏振分集把 PSR 放发射端、偏振分集把 PSR 放接收端。

逐项对比见上表。单偏振加跟踪的面积最小，1.4 倍的 PIC 面积换来 3.7 dB 平均余量，但跟踪环要实时解偏振态，反馈带宽高于 100 Hz 才跟得上秒级漂移，控制环本身要占 0.1 W，还会在偏振态快速变化时丢锁。发射端 PSR 方案的余量只有 2.5 dB，光源预算要提到 1.7 W，超了。

三个候选的差别集中在一点：那 1.5 dB 记在谁的电表上。单偏振把风险记在运维头上，发射端 PSR 记在光源预算上，接收端 PSR 记在 TIA 数量上。工程上能接受的是第三种，因为接收端的余量是现成的，发射端的功率预算要重新谈。

选定接收端 PSR。发射端不加插损，光源维持 1.06 W，接收端扣 1.5 dB 后余量 2.7 dB，PIC 面积 2.0 倍在 6 mm² 的预算内，多出的一路跨阻放大器算 0.15 W。

为什么不分两端都做，答案在面积与功耗的乘性上。两端各一颗 PSR，PIC 面积 2.6 倍，接收端多一路 TIA，发射端多 0.55 W，换来的是把 0.2 dB 的残余偏振相关损耗再压 0.1 dB，这笔交易在任何一代速率上都不划算。

代价与风险：接收端 PSR 的 1.5 dB 是固定的，不再有偏振衰落，但两路探测器的暗电流与响应度要配对，配不平 5% 就多出 0.3 dB 的失衡代价；PSR 的 -20 dB 串扰在两路合波时变成 0.04 dB 的干扰，可以忽略；封装上 PSR 与探测器要共基板，耦合容差从 ±1.5 µm 收到 ±0.8 µm，贴装良率掉 2 个点。

如果链路余量高于 4 dB 且跳线长度短于 100 m，就选单偏振加保偏光纤，代价是不能弯折、不能现场改线。

一句话 偏振分集买到的是确定性，不是预算，1.5 dB 放在发射端要按电光效率放大，放在接收端才只花余量。

文献依据：Photonics，2022 年，第 9 卷第 10 期，文章号 758

文献标题：Broadband Polarization Rotator and Splitter Based on 70 nm-Etched Waveguides on SOI Platform

作者：Ye Tian、Zhe Kang、Tingge Dai、Peipeng Xu、Yan Li、Yegang Lv、Xiaowei Zhang

期刊卷期：Photonics，第 9 卷，第 10 期，文章号 758，2022 年 10 月

DOI：10.3390/photonics9100758

第二来源：Silicon photonic broadband polarization-insensitive switch based on polarization-mode diversity conversion，Optics Letters，第 48 卷，第 17 期，4661 页，2023 年，DOI 10.1364/ol.497510

配图说明：图 1、图 2 均为自行绘制，图 1 为原理示意，图 2 据公开参数重绘，非原文原图复制

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来源：21ic电子网