Odbiorniki: PIN, APD, TIA i detekcja koherentna

Odbiornik decyduje, jak słaby sygnał może tolerować łącze. Niemal całą pracę wykonują dwa rodzaje fotodiody, para wzmacniaczy zamienia ich prąd w bity, a dla najdłuższych łączy zastępuje je zasadniczo inny schemat — detekcja koherentna.

Fotodiody

Dioda PIN zamienia każdy foton na co najwyżej jeden elektron — prosto, liniowo, z szerokim zakresem dynamiki i niskim napięciem polaryzacji. APD pracuje blisko przebicia (dziesiątki woltów), więc każdy foton wyzwala lawinę elektronów, co daje 5–10 dB czułości w zamian za zależną od temperatury polaryzację, więcej szumu i niższy próg przesterowania. Ta dodatkowa czułość zamienia moduł 40 km w moduł 80 km albo pozwala OLT PON usłyszeć ONU przez splitter 1:64.

Kluczowe parametry: responsywność (A/W, ~0,8–0,9 dla InGaAs), szerokość pasma (musi pokrywać szybkość symbolową — ~7 GHz dla 10G, ~25 GHz dla 25G NRZ / 50G PAM4), prąd ciemny (poziom szumów), przesterowanie (moc nasycenia, typowo −1…+3 dBm; zbyt dużo światła też powoduje błędy).

Od prądu do bitów

fotodioda ──► TIA ──► LA (NRZ)  albo  wzmacniacz liniowy ──► ADC ──► DSP (PAM4) ──► CDR ──► host

• TIA (wzmacniacz transimpedancyjny) zamienia mikroamperowy fotoprąd w napięcie z możliwie najmniejszym dodanym szumem — to on w dużej mierze ustala czułość odbiornika.
• LA (wzmacniacz ograniczający) tnie przebieg na czyste poziomy 1/0 dla łączy NRZ.
• Liniowy TIA + ADC + DSP — PAM4 ma cztery poziomy, więc sygnał musi pozostać liniowy, dopóki DSP go nie skoryguje i nie utnie na poziomy; dlatego moduły PAM4 kosztują i pobierają więcej mocy.
• Odbiorniki pracujące w trybie pakietowym (burst-mode) (strona OLT PON) dodają szybkie ustawianie wzmocnienia i resetowanie progu między szczelinami czasowymi różnych ONU (Transceivery PON).
• Wielokanałowe ROSA wykorzystują matryce PIN po 4 albo 8 elementów za matrycą soczewek albo demultiplekserem, każda linia z własnym kanałem TIA — stąd moc Rx dla każdej linii osobno w DDM (Diagnostyka poszczególnych linii).

Czułość, OMA i FEC

Czułość podaje się dla docelowej bitowej stopy błędów: 10⁻¹² dla klasycznych łączy NRZ, ale dla 25G+ i PAM4 punktem odniesienia jest BER przed FEC (np. 2,4×10⁻⁴), który RS-FEC potrafi skorygować — więc moduł 100G o „czułości −10 dBm” nadaje się do użytku tylko z włączonym FEC (FEC i trenowanie łącza). Specyfikacje wielomodowe często podają czułość w OMA, a nie w mocy średniej; różnica może sięgać ~3 dB (Kalibracja).

Detekcja koherentna

Powyżej ~80–120 km albo przy 100G+ na długość fali detekcji bezpośredniej brakuje już budżetu mocy. Odbiornik koherentny miesza padające światło z laserem lokalnego oscylatora w hybrydzie optycznej 90° i wykrywa obie polaryzacje na parach zrównoważonych fotodiod; ADC cyfryzują wynik, a DSP odzyskuje amplitudę, fazę i polaryzację — oraz cyfrowo kompensuje dyspersję chromatyczną i PMD. Czułość poprawia się o 15–20 dB, a modulacją może być QPSK albo 16/64-QAM. To odbiornik stosowany w modułach 400ZR/ZR+ i transportowych (Optyka koherentna).

Odbiorniki wspomagane SOA

Niektóre dalekozasięgowe moduły PAM4 (400G ER, część 100G) umieszczają półprzewodnikowy wzmacniacz optyczny przed fotodiodą, aby wstępnie wzmocnić światło — pośrednia droga między APD a rozwiązaniem koherentnym, kosztem dodatkowej mocy i ceny.

Co odbiornik mówi ci w DDM

• Moc Rx to bezpośredni pomiar fotodiody — jedyna wartość w DDM, która niemal zawsze jest prawdziwa (Poziomy DDM).
• Próg alarmu niskiej Rx odpowiada w przybliżeniu czułości odbiornika; alarm wysokiej Rx odpowiada jego przesterowaniu (Progi i alarmy).
• LOS aktywuje się, gdy Rx spadnie poniżej poziomu utraty sygnału — to sprzętowy komparator na wyjściu TIA, szybszy niż jakikolwiek odczyt DDM.
• Degradujący się odbiornik (dryf wzmocnienia APD, starzenie TIA) objawia się jako rosnąca liczba błędów przy normalnej mocy Rx — samo DDM tego nie wychwyci; zestawiaj je z licznikami błędów.

W CodingBox

Ekran DDM pokazuje moc Rx dla każdej linii na tle progów czułości i przesterowania modułu, a ekran Check transceiver dekoduje kody zasięgu i szybkości, które wskazują na odbiornik PIN albo APD. Podczas przekodowywania modułu dbaj, aby te kody odpowiadały odbiornikowi, który moduł rzeczywiście niesie.

Okna czułości i przesterowania dla poszczególnych interfejsów oraz jak dobrać tłumik na podstawie odczytów DDM: Moc Rx i budżet łącza, Typowe wartości.

TIA, wzmacniacz ograniczający i układ detekcji sygnału, które zamieniają fotoprąd na bity, oraz wyprowadzenie RX_LOS: Elektronika modułu; liniowy front-end i DSP w odbiornikach PAM4: Modulacja i DSP.