Приёмники: PIN, APD, TIA и когерентное детектирование

Приёмник решает, насколько слабый сигнал линия способна вытерпеть. Почти всю работу делают два вида фотодиодов, пара усилителей превращает их ток в биты, а на самых длинных линиях их заменяет принципиально иная схема — когерентное детектирование.

Фотодиоды

PIN-диод превращает каждый фотон максимум в один электрон — просто, линейно, широкий динамический диапазон, низкое напряжение смещения. APD работает у пробоя (десятки вольт), так что каждый фотон запускает лавину электронов, давая 5–10 дБ чувствительности ценой температурно-зависимого смещения, большего шума и меньшей точки перегрузки. Эта добавка превращает модуль на 40 км в модуль на 80 км или позволяет OLT PON слышать ONU через сплиттер 1:64.

Ключевые параметры: чувствительность фотодиода (А/Вт, ~0,8–0,9 у InGaAs), полоса (должна покрывать символьную скорость — ~7 ГГц для 10G, ~25 ГГц для 25G NRZ / 50G PAM4), темновой ток (шумовой пол), перегрузка (мощность насыщения, обычно −1…+3 дБм; избыток света тоже даёт ошибки).

От тока к битам

фотодиод ──► TIA ──► LA (NRZ)  или  линейный усилитель ──► АЦП ──► DSP (PAM4) ──► CDR ──► хост

• TIA (трансимпедансный усилитель) превращает микроамперный фототок в напряжение с минимально возможным добавочным шумом — он во многом задаёт чувствительность приёмника.
• LA (ограничивающий усилитель) режет форму сигнала на чистые уровни 1/0 для NRZ.
• Линейный TIA + АЦП + DSP — у PAM4 четыре уровня, поэтому сигнал должен оставаться линейным, пока DSP его не эквализирует и не нарежет; поэтому модули PAM4 дороже и прожорливее.
• Burst-mode приёмники (сторона OLT в PON) добавляют быстрый сброс усиления и порога между слотами разных ONU (Трансиверы PON).
• Многоканальные ROSA используют матрицы PIN на 4 или 8 элементов за матрицей линз или демультиплексором, у каждого канала свой TIA — отсюда поканальная мощность Rx в DDM (Поканальная диагностика).

Чувствительность, OMA и FEC

Чувствительность задаётся для целевой доли ошибок: 10⁻¹² для классических линков NRZ, но для 25G+ и PAM4 точка спецификации — pre-FEC BER (например, 2,4×10⁻⁴), которую исправит RS-FEC, — так что модуль 100G с «чувствительностью −10 дБм» пригоден только с включённым FEC (FEC и обучение линка). Спецификации многомода часто дают чувствительность в OMA, а не в средней мощности; разница может быть ~3 дБ (Калибровка).

Когерентное детектирование

Дальше ~80–120 км или при 100G+ на длину волны прямому детектированию не хватает бюджета. Когерентный приёмник смешивает входящий свет с лазером-гетеродином в 90° оптическом гибриде и детектирует обе поляризации на балансных парах фотодиодов; АЦП оцифровывают результат, а DSP восстанавливает амплитуду, фазу и поляризацию — и цифровым способом компенсирует хроматическую дисперсию и PMD. Чувствительность улучшается на 15–20 дБ, а модуляция может быть QPSK или 16/64-QAM. Это приёмник внутри 400ZR/ZR+ и транспортных модулей (Когерентная оптика).

Приёмники с SOA

Некоторые дальнобойные модули PAM4 (400G ER, часть 100G) ставят перед фотодиодом полупроводниковый оптический усилитель для предусиления света — средний путь между APD и когерентом, ценой мощности и стоимости.

Что приёмник говорит в DDM

• Мощность Rx — собственное измерение фотодиода, единственное значение DDM, почти всегда реальное (Уровни DDM).
• Порог low Rx alarm — примерно чувствительность приёмника; high Rx alarm — его перегрузка (Пороги и аварии).
• LOS срабатывает, когда Rx падает ниже уровня потери сигнала — аппаратный компаратор на выходе TIA, быстрее любого чтения DDM.
• Деградирующий приёмник (дрейф усиления APD, старение TIA) проявляется ростом ошибок при нормальном Rx — один DDM этого не поймает; сочетайте со счётчиками ошибок.

В CodingBox

Экран DDM показывает мощность Rx по каналам относительно порогов чувствительности и перегрузки модуля, а экран Check transceiver декодирует коды дальности и скорости, подразумевающие PIN или APD. При перекодировке держите эти коды честными относительно реально стоящего приёмника.