Ontvangers: PIN, APD, TIA en coherente detectie

De ontvanger bepaalt hoe zwak een signaal mag zijn dat een link nog kan verdragen. Twee soorten fotodiode verrichten bijna al het werk, een paar versterkers zetten hun stroom om in bits en voor de langste links vervangt een fundamenteel ander schema — coherente detectie — ze.

Fotodiodes

Een PIN-diode zet elk foton om in hoogstens één elektron — eenvoudig, lineair, groot dynamisch bereik, lage voorspanning. Een APD werkt dicht bij doorslag (tientallen volts), zodat elk foton een lawine van elektronen veroorzaakt; dat levert 5–10 dB meer gevoeligheid op, ten koste van temperatuurafhankelijke voorspanning, meer ruis en een lager overbelastingspunt. Die extra gevoeligheid maakt van een 40 km-module een 80 km-module, of laat een PON OLT een ONU door een 1:64-splitter heen ontvangen.

Belangrijke parameters: responsiviteit (A/W, ~0,8–0,9 voor InGaAs), bandbreedte (moet de symboolsnelheid afdekken — ~7 GHz voor 10G, ~25 GHz voor 25G NRZ / 50G PAM4), donkerstroom (ruisvloer), overbelasting (verzadigingsvermogen, doorgaans −1…+3 dBm; te veel licht veroorzaakt ook fouten).

Van stroom naar bits

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

• TIA (trans-impedantieversterker) zet de fotostroom van microampères om in een spanning met zo weinig mogelijk toegevoegde ruis — deze bepaalt grotendeels de gevoeligheid van de ontvanger.
• LA (begrenzingsversterker) verdeelt de golfvorm in zuivere 1/0-niveaus voor NRZ-links.
• Lineaire TIA + ADC + DSP — PAM4 heeft vier niveaus, dus het signaal moet lineair blijven totdat een DSP het egaliseert en beslist; daarom kosten PAM4-modules meer en verbruiken ze meer.
• Burst-mode ontvangers (PON OLT-zijde) voegen tussen tijdslots van verschillende ONU’s snelle versterkings- en drempelreset toe (PON-transceivers).
• ROSAs met meerdere lanes gebruiken 4- of 8-element-PIN-arrays achter een lensarray of een demultiplexer, waarbij elke lane een eigen TIA-kanaal heeft — vandaar het Rx-vermogen per lane in DDM (Diagnostiek per lane).

Gevoeligheid, OMA en FEC

De gevoeligheid wordt opgegeven voor een doel-bitfoutenratio: 10⁻¹² voor klassieke NRZ-links, maar voor 25G+ en PAM4 is het specificatiepunt de pre-FEC BER (bijv. 2,4×10⁻⁴) die RS-FEC kan corrigeren — een 100G-module met ‘−10 dBm gevoeligheid’ is dus alleen bruikbaar met FEC ingeschakeld (FEC & linktraining). Specificaties voor multimode vermelden de gevoeligheid vaak in OMA in plaats van gemiddeld vermogen; het verschil kan ~3 dB zijn (Kalibratie).

Coherente detectie

Voorbij ~80–120 km, of bij 100G+ per golflengte, is het budget voor directe detectie ontoereikend. Een coherente ontvanger mengt het inkomende licht met een lokale-oscillatorlaser in een 90° optische hybride en detecteert beide polarisaties op gebalanceerde fotodiodeparen; ADC’s digitaliseren het resultaat en een DSP herstelt amplitude, fase en polarisatie — en compenseert chromatische dispersie en PMD digitaal. De gevoeligheid verbetert met 15–20 dB en de modulatie kan QPSK of 16/64-QAM zijn. Dit is de ontvanger in 400ZR/ZR+ en transportmodules (Coherente optica).

SOA-ondersteunde ontvangers

Sommige PAM4-modules met groot bereik (400G ER, sommige 100G) plaatsen een halfgeleider-optische versterker vóór de fotodiode om het licht vooraf te versterken — een middenweg tussen een APD en coherent, met extra vermogen en kosten.

Wat de ontvanger u vertelt in DDM

• Rx-vermogen is de eigen meting van de fotodiode — de ene DDM-waarde die vrijwel altijd reëel is (DDM-niveaus).
• De drempel van het lage Rx-alarm ligt ongeveer bij de gevoeligheid van de ontvanger; het hoge Rx-alarm is de overbelasting (Drempels & alarmen).
• LOS wordt actief wanneer Rx onder het loss-of-signal-niveau daalt — een hardwarecomparator op de TIA-uitgang, sneller dan elke DDM-uitlezing.
• Een verslechterende ontvanger (drift in de APD-versterking, veroudering van de TIA) toont zich als toenemende fouten bij normaal Rx-vermogen — DDM alleen merkt dit niet op; combineer het met fouttellers.

In CodingBox

Het scherm DDM toont het Rx-vermogen per lane tegenover de gevoeligheids- en overbelastingsdrempels van de module, en het scherm Check transceiver decodeert de bereik- en snelheids-codes die een PIN- of APD-ontvanger impliceren. Houd die codes bij het hercoderen van een module in overeenstemming met de ontvanger die deze werkelijk bevat.

Gevoeligheids- en overbelastingsvensters per interface, en hoe u op basis van DDM-uitlezingen een verzwakker dimensioneert: Rx-vermogen & linkbudget, Typische waarden.

De TIA, begrenzingsversterker en signal-detect-circuit die fotostroom omzetten in bits en de RX_LOS-pin: Module-elektronica; de lineaire front-end en DSP in PAM4-ontvangers: Modulatie & DSP.