Récepteurs : PIN, APD, TIA et détection cohérente

Le récepteur détermine la faiblesse du signal qu’une liaison peut tolérer. Deux types de photodiode font presque tout le travail, une paire d’amplificateurs transforme leur courant en bits, et pour les liaisons les plus longues un schéma fondamentalement différent — la détection cohérente — les remplace.

Photodiodes

Une diode PIN convertit chaque photon en au plus un électron — simple, linéaire, grande plage dynamique, faible tension de polarisation. Une APD fonctionne près du claquage (des dizaines de volts) de sorte que chaque photon déclenche une avalanche d’électrons, ce qui gagne 5–10 dB de sensibilité au prix d’une polarisation dépendant de la température, de davantage de bruit et d’un point de saturation plus bas. C’est ce supplément de sensibilité qui transforme un module 40 km en module 80 km, ou qui permet à un OLT PON d’entendre une ONU à travers un coupleur 1:64.

Paramètres clés : réactivité (A/W, ~0,8–0,9 pour l’InGaAs), bande passante (doit couvrir le débit symbole — ~7 GHz pour le 10G, ~25 GHz pour le 25G NRZ / 50G PAM4), courant d’obscurité (plancher de bruit), saturation (puissance de saturation, typiquement −1…+3 dBm ; trop de lumière cause aussi des erreurs).

Du courant aux bits

photodiode ──► TIA ──► LA (NRZ)  ou  ampli linéaire ──► ADC ──► DSP (PAM4) ──► CDR ──► hôte

• TIA (amplificateur transimpédance) convertit le photocourant, de l’ordre du microampère, en tension avec le moins de bruit ajouté possible — il détermine l’essentiel de la sensibilité du récepteur.
• LA (amplificateur limiteur) découpe la forme d’onde en niveaux 1/0 nets pour les liaisons NRZ.
• TIA linéaire + ADC + DSP — le PAM4 a quatre niveaux, donc le signal doit rester linéaire jusqu’à ce qu’un DSP l’égalise et le tranche ; c’est pourquoi les modules PAM4 coûtent et consomment plus.
• Récepteurs en mode rafale (côté OLT PON) ajoutent un gain rapide et une remise à zéro du seuil entre les intervalles de temps de différentes ONU (Transceivers PON).
• Les ROSA multivoies utilisent des matrices PIN à 4 ou 8 éléments derrière une matrice de lentilles ou un démultiplexeur, chaque voie avec son propre canal TIA — d’où la puissance Rx par voie dans le DDM (Diagnostic par voie).

Sensibilité, OMA et FEC

La sensibilité est indiquée pour un taux d’erreur binaire cible : 10⁻¹² pour les liaisons NRZ classiques, mais pour le 25G et plus et le PAM4, le point de spécification est le BER pré-FEC (par exemple 2,4×10⁻⁴) que le RS-FEC peut corriger — un module 100G « sensibilité −10 dBm » n’est donc utilisable qu’avec le FEC activé (FEC et link training). Les spécifications multimodes expriment souvent la sensibilité en OMA plutôt qu’en puissance moyenne ; l’écart peut atteindre ~3 dB (Étalonnage).

Détection cohérente

Au-delà d’environ 80–120 km, ou à 100G et plus par longueur d’onde, la détection directe épuise son budget. Un récepteur cohérent mélange la lumière entrante avec un laser oscillateur local dans un hybride optique 90° et détecte les deux polarisations sur des paires de photodiodes équilibrées ; des ADC numérisent le résultat et un DSP récupère l’amplitude, la phase et la polarisation — et compense numériquement la dispersion chromatique et la PMD. La sensibilité s’améliore de 15–20 dB et la modulation peut être QPSK ou 16/64-QAM. C’est le récepteur des modules 400ZR/ZR+ et des modules de transport (Optique cohérente).

Récepteurs assistés par SOA

Certains modules PAM4 longue portée (400G ER, certains 100G) placent un amplificateur optique à semi-conducteur avant la photodiode pour préamplifier la lumière — une voie intermédiaire entre l’APD et le cohérent, au prix d’une puissance et d’un coût supplémentaires.

Ce que le récepteur indique dans le DDM

• La puissance Rx est la mesure propre de la photodiode — la seule valeur du DDM qui soit presque toujours réelle (Niveaux DDM).
• Le seuil d’alarme Rx basse correspond à peu près à la sensibilité du récepteur ; l’alarme Rx haute correspond à sa saturation (Seuils et alarmes).
• Le LOS s’active quand la Rx tombe sous le niveau de perte de signal — un comparateur matériel sur la sortie du TIA, plus rapide que n’importe quelle lecture DDM.
• Un récepteur qui se dégrade (dérive du gain de l’APD, vieillissement du TIA) se manifeste par des erreurs croissantes à puissance Rx normale — le DDM seul ne le détecte pas ; associez-le à des compteurs d’erreurs.

Dans CodingBox

L’écran DDM affiche la puissance Rx par voie en regard des seuils de sensibilité et de saturation du module, et l’écran Check transceiver décode les codes de portée et de débit qui impliquent un récepteur PIN ou APD. Lors du recodage d’un module, gardez ces codes fidèles au récepteur qu’il porte réellement.

Fenêtres de sensibilité et de saturation par interface, et comment dimensionner un atténuateur à partir des lectures DDM : Puissance Rx et bilan de liaison, Valeurs typiques.

Le TIA, l’amplificateur limiteur et le circuit de détection de signal qui transforment le photocourant en bits, et la broche RX_LOS : Électronique du module ; le frontal linéaire et le DSP des récepteurs PAM4 : Modulation et DSP.