Algunos de los AVR tienen DAC de 12 bits bastante decentes. Podrías simplemente desplazar el cero usando un op-amp. Digamos que la referencia de tu DAC es de 2,5V, entonces podrías desplazar la salida por un -1,25V referido a la entrada para obtener una señal de salida bipolar con 0V de salida a 0x800.
El enfoque general sería algo así:
simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab
Por ejemplo, para una Vref = 2,5V y una salida deseada de -4,0V a +4,0V, podría elegir Rf = 10,0K, entonces R1 = 6,25K y R2 = 16,67K.
El circuito anterior no carga la salida del DAC, pero sí presenta cierta carga a la Vref. Si la impedancia no es muy baja, podrías utilizar otro amplificador óptico en un doble como buffer de ganancia unitaria para que Vref tampoco esté cargado.
Por supuesto, tu amplificador óptico requiere suministros bipolares o no te dará una salida bipolar.