Ricevitori: PIN, APD, TIA e rilevazione coerente

Il ricevitore decide quanto debole può essere un segnale che un collegamento tollera. Due tipi di fotodiodo fanno quasi tutto il lavoro, una coppia di amplificatori trasforma la loro corrente in bit, e per i collegamenti più lunghi uno schema fondamentalmente diverso — la rilevazione coerente — li sostituisce.

Fotodiodi

Un diodo PIN converte ogni fotone in al massimo un elettrone — semplice, lineare, ampio range dinamico, bassa tensione di bias. Un APD funziona vicino al breakdown (decine di volt) così che ogni fotone inneschi una valanga di elettroni, guadagnando 5–10 dB di sensibilità al prezzo di un bias dipendente dalla temperatura, più rumore e un punto di sovraccarico più basso. Questa sensibilità in più è ciò che trasforma un modulo da 40 km in uno da 80 km, o permette a un OLT PON di sentire una ONU attraverso uno splitter 1:64.

Parametri chiave: responsività (A/W, ~0,8–0,9 per InGaAs), larghezza di banda (deve coprire la velocità di simbolo — ~7 GHz per 10G, ~25 GHz per 25G NRZ / 50G PAM4), corrente di buio (pavimento di rumore), sovraccarico (potenza di saturazione, tipicamente −1…+3 dBm; troppa luce causa anch’essa errori).

Dalla corrente ai bit

fotodiodo ──► TIA ──► LA (NRZ)  oppure  amplificatore lineare ──► ADC ──► DSP (PAM4) ──► CDR ──► host

• TIA (amplificatore a transimpedenza) converte la fotocorrente, dell’ordine dei microampere, in una tensione con il minimo rumore aggiunto possibile — è ciò che definisce in gran parte la sensibilità del ricevitore.
• LA (amplificatore limitatore) affetta la forma d’onda in livelli 1/0 puliti per i collegamenti NRZ.
• TIA lineare + ADC + DSP — il PAM4 ha quattro livelli, quindi il segnale deve restare lineare finché un DSP non lo equalizza e lo affetta; questo è il motivo per cui i moduli PAM4 costano e consumano di più.
• Ricevitori burst-mode (lato OLT del PON) aggiungono un reset rapido di guadagno e soglia tra gli intervalli temporali di ONU diverse (Ricetrasmettitori PON).
• Le ROSA multi-lane usano matrici PIN a 4 o 8 elementi dietro una matrice di lenti o un demultiplexer, ciascuna lane con il proprio canale TIA — da qui la potenza Rx per lane nel DDM (Diagnostica per lane).

Sensibilità, OMA e FEC

La sensibilità è indicata per un tasso di errore sui bit target: 10⁻¹² per i collegamenti NRZ classici, ma per 25G e oltre e per il PAM4 il punto di specifica è il BER pre-FEC (ad esempio 2,4×10⁻⁴) che l’RS-FEC può correggere — quindi un modulo 100G con «sensibilità −10 dBm» è utilizzabile solo con il FEC attivo (FEC e training del collegamento). Le specifiche multimodali spesso indicano la sensibilità in OMA invece che in potenza media; la differenza può arrivare a ~3 dB (Calibrazione).

Rilevazione coerente

Oltre ~80–120 km, o a 100G e oltre per lunghezza d’onda, la rilevazione diretta esaurisce il bilancio di potenza. Un ricevitore coerente mescola la luce in ingresso con un laser a oscillatore locale in un ibrido ottico a 90° e rileva entrambe le polarizzazioni su coppie di fotodiodi bilanciati; gli ADC digitalizzano il risultato e un DSP recupera ampiezza, fase e polarizzazione — e compensa digitalmente la dispersione cromatica e la PMD. La sensibilità migliora di 15–20 dB e la modulazione può essere QPSK o 16/64-QAM. Questo è il ricevitore all’interno dei moduli 400ZR/ZR+ e di trasporto (Ottica coerente).

Ricevitori assistiti da SOA

Alcuni moduli PAM4 a lunga portata (400G ER, alcuni 100G) mettono un amplificatore ottico a semiconduttore davanti al fotodiodo per pre-amplificare la luce — una via di mezzo tra un APD e il coerente, a costo di potenza e prezzo aggiuntivi.

Cosa dice il ricevitore nel DDM

• La potenza Rx è la misura propria del fotodiodo — l’unico valore del DDM che è quasi sempre reale (Livelli DDM).
• La soglia di allarme Rx basso è all’incirca la sensibilità del ricevitore; l’allarme Rx alto è il suo sovraccarico (Soglie e allarmi).
• Il LOS si attiva quando la Rx scende sotto il livello di perdita di segnale — un comparatore hardware sull’uscita del TIA, più veloce di qualsiasi lettura DDM.
• Un ricevitore che degrada (deriva del guadagno dell’APD, invecchiamento del TIA) si manifesta come errori in aumento a potenza Rx normale — il DDM da solo non lo rileva; abbinalo ai contatori di errore.

In CodingBox

La schermata DDM mostra la potenza Rx per lane a confronto con le soglie di sensibilità e sovraccarico del modulo, e la schermata Check transceiver decodifica i codici di portata e di rate che implicano un ricevitore PIN o APD. Quando ricodifichi un modulo, mantieni quei codici fedeli al ricevitore che porta realmente.

Finestre di sensibilità e sovraccarico per interfaccia, e come dimensionare un attenuatore dalle letture DDM: Potenza Rx e bilancio, Valori tipici.

Il TIA, l’amplificatore limitatore e il circuito di signal-detect che trasformano la fotocorrente in bit, e il pin RX_LOS: Elettronica del modulo; il front end lineare e il DSP sui ricevitori PAM4: Modulazione e DSP.