Empfänger: PIN, APD, TIA und kohärente Detektion

Der Empfänger entscheidet, wie schwach ein Signal sein darf, das ein Link noch verträgt. Zwei Arten von Photodioden erledigen fast die gesamte Arbeit, ein Paar Verstärker wandelt ihren Strom in Bits um, und für die längsten Links ersetzt ein grundlegend anderes Verfahren — die kohärente Detektion — sie ganz.

Photodioden

Eine PIN-Diode wandelt jedes Photon in höchstens ein Elektron um — einfach, linear, großer Dynamikbereich, niedrige Bias-Spannung. Eine APD wird nahe am Durchbruch betrieben (einige zehn Volt), sodass jedes Photon eine Elektronenlawine auslöst — das bringt 5–10 dB zusätzliche Empfindlichkeit, erkauft mit temperaturabhängigem Bias, mehr Rauschen und einem niedrigeren Übersteuerungspunkt. Diese zusätzliche Empfindlichkeit ist es, die aus einem 40-km-Modul ein 80-km-Modul macht, oder die einen PON-OLT eine ONU durch einen 1:64-Splitter hindurch hören lässt.

Wichtige Parameter: Responsivität (A/W, ~0,8–0,9 bei InGaAs), Bandbreite (muss die Symbolrate abdecken — ~7 GHz bei 10G, ~25 GHz bei 25G NRZ / 50G PAM4), Dunkelstrom (Rauschgrund), Übersteuerung (Sättigungsleistung, typischerweise −1…+3 dBm; zu viel Licht verursacht ebenfalls Fehler).

Vom Strom zu Bits

photodiode ──► TIA ──► LA (NRZ)  or  linear amp ──► ADC ──► DSP (PAM4) ──► CDR ──► host

• Der TIA (Transimpedanzverstärker) wandelt den Mikroampere-Photostrom mit möglichst wenig zusätzlichem Rauschen in eine Spannung um — er legt die Empfängerempfindlichkeit weitgehend fest.
• Der LA (Begrenzerverstärker) schneidet die Wellenform bei NRZ-Links in saubere 1/0-Pegel.
• Linearer TIA + ADC + DSP — PAM4 hat vier Pegel, das Signal muss also linear bleiben, bis ein DSP es entzerrt und schneidet; deshalb kosten und verbrauchen PAM4-Module mehr.
• Burst-Mode-Empfänger (PON-OLT-Seite) fügen zwischen Zeitschlitzen verschiedener ONUs eine schnelle Verstärkungs- und Schwellwertrücksetzung hinzu (PON-Transceiver).
• Mehrlane-ROSAs verwenden 4- oder 8-Element-PIN-Arrays hinter einem Linsenarray oder einem Demultiplexer, jede Lane mit eigenem TIA-Kanal — daher die Rx-Leistung pro Lane im DDM (Diagnose pro Lane).

Empfindlichkeit, OMA und FEC

Die Empfindlichkeit wird für eine Ziel-Bitfehlerrate angegeben: 10⁻¹² bei klassischen NRZ-Links, aber bei 25G+ und PAM4 ist der Spezifikationspunkt die Pre-FEC-Bitfehlerrate (z. B. 2,4×10⁻⁴), die RS-FEC korrigieren kann — ein 100G-Modul mit „−10 dBm Empfindlichkeit" ist also nur mit aktivem FEC nutzbar (FEC & Link-Training). Multimode-Spezifikationen geben die Empfindlichkeit oft in OMA statt als mittlere Leistung an; der Unterschied kann ~3 dB betragen (Kalibrierung).

Kohärente Detektion

Über etwa 80–120 km hinaus, oder bei 100G+ pro Wellenlänge, reicht das Budget der Direktdetektion nicht mehr. Ein kohärenter Empfänger mischt das einfallende Licht mit einem Lokaloszillator-Laser in einem 90°-optischen Hybrid und erfasst beide Polarisationen mit symmetrischen Photodioden-Paaren; ADCs digitalisieren das Ergebnis, und ein DSP gewinnt Amplitude, Phase und Polarisation zurück — und kompensiert chromatische Dispersion und PMD digital. Die Empfindlichkeit verbessert sich um 15–20 dB, und die Modulation kann QPSK oder 16/64-QAM sein. Das ist der Empfänger in 400ZR/ZR+ und Transportmodulen (Kohärente Optik).

SOA-unterstützte Empfänger

Manche Langstrecken-PAM4-Module (400G ER, einige 100G) setzen einen Halbleiter-Lichtverstärker vor die Photodiode, um das Licht vorzuverstärken — ein Mittelweg zwischen APD und kohärent, mit zusätzlichem Leistungsbedarf und Kosten.

Was der Empfänger im DDM verrät

• Die Rx-Leistung ist die eigene Messung der Photodiode — der eine DDM-Wert, der fast immer real ist (DDM-Pegel).
• Die Schwelle für den niedrigen Rx-Alarm entspricht ungefähr der Empfindlichkeit des Empfängers; der hohe Rx-Alarm entspricht seiner Übersteuerung (Schwellwerte & Alarme).
• LOS löst aus, wenn Rx unter den Signalverlust-Pegel fällt — ein Hardware-Komparator am TIA-Ausgang, schneller als jede DDM-Abfrage.
• Ein degradierender Empfänger (APD-Verstärkungsdrift, TIA-Alterung) zeigt sich als steigende Fehler bei normaler Rx-Leistung — DDM allein erfasst das nicht; dafür braucht es Fehlerzähler.

In CodingBox

Der Bildschirm DDM zeigt die Rx-Leistung pro Lane gegenüber den Empfindlichkeits- und Übersteuerungsschwellen des Moduls, und der Bildschirm Check transceiver dekodiert die Reichweiten- und Ratencodes, die einen PIN- oder APD-Empfänger implizieren. Beim Umkodieren eines Moduls sollten diese Codes zum tatsächlich verbauten Empfänger passen.

Empfindlichkeits- und Übersteuerungsfenster pro Schnittstelle, und wie man ein Dämpfungsglied anhand von DDM-Werten dimensioniert: Rx-Leistung & Leistungsbudget, Typische Werte.

Der TIA, der Begrenzerverstärker und die Signal-Detect-Schaltung, die Photostrom in Bits verwandeln, sowie der RX_LOS-Pin: Modulelektronik; das lineare Front-End und der DSP bei PAM4-Empfängern: Modulation & DSP.