Receptores: PIN, APD, TIA y detección coherente

El receptor decide cuán débil puede ser una señal que un enlace tolera. Dos tipos de fotodiodo hacen casi todo el trabajo, un par de amplificadores convierte su corriente en bits y, para los enlaces más largos, un esquema fundamentalmente distinto (la detección coherente) los sustituye.

Fotodiodos

Un diodo PIN convierte cada fotón en, como máximo, un electrón: es simple, lineal, de amplio rango dinámico y bajo voltaje de polarización. Un APD se opera cerca de la ruptura (decenas de voltios), de modo que cada fotón desencadena una avalancha de electrones, lo que gana 5–10 dB de sensibilidad al precio de una polarización dependiente de la temperatura, más ruido y un punto de sobrecarga más bajo. Esa sensibilidad extra es lo que convierte un módulo de 40 km en uno de 80 km, o lo que permite que una OLT PON escuche a una ONU a través de un splitter 1:64.

Parámetros clave: responsividad (A/W, ~0,8–0,9 para InGaAs), ancho de banda (debe cubrir la tasa de símbolo: ~7 GHz para 10G, ~25 GHz para 25G NRZ / 50G PAM4), corriente oscura (piso de ruido), sobrecarga (potencia de saturación, típicamente −1…+3 dBm; demasiada luz también causa errores).

De la corriente a los bits

fotodiodo ──► TIA ──► LA (NRZ)  o  amplificador lineal ──► ADC ──► DSP (PAM4) ──► CDR ──► host

• El TIA (amplificador de transimpedancia) convierte la fotocorriente, del orden de microamperios, en un voltaje con el menor ruido añadido posible: es lo que determina en gran medida la sensibilidad del receptor.
• El LA (amplificador limitador) corta la forma de onda en niveles 1/0 limpios para los enlaces NRZ.
• TIA lineal + ADC + DSP: PAM4 tiene cuatro niveles, así que la señal debe permanecer lineal hasta que un DSP la ecualiza y la corta; por eso los módulos PAM4 cuestan y consumen más.
• Los receptores en modo ráfaga (lado OLT de PON) añaden ganancia rápida y reinicio del umbral entre intervalos de tiempo de distintas ONU (Transceptores PON).
• Las ROSA multicarril usan matrices PIN de 4 u 8 elementos detrás de una matriz de lentes o un demultiplexor, cada carril con su propio canal TIA, de ahí la potencia Rx por carril en el DDM (Diagnóstico por carril).

Sensibilidad, OMA y FEC

La sensibilidad se especifica para una tasa de error de bit objetivo: 10⁻¹² para los enlaces NRZ clásicos, pero para 25G+ y PAM4 el punto de especificación es el BER previo a FEC (por ejemplo, 2,4×10⁻⁴) que el RS-FEC puede corregir, así que un módulo de 100G con «sensibilidad de −10 dBm» solo es utilizable con el FEC activado (FEC y entrenamiento de enlace). Las especificaciones multimodo suelen indicar la sensibilidad en OMA en lugar de potencia media; la diferencia puede ser de ~3 dB (Calibración).

Detección coherente

Más allá de ~80–120 km, o a 100G+ por longitud de onda, la detección directa se queda sin presupuesto. Un receptor coherente mezcla la luz entrante con un láser oscilador local en un híbrido óptico de 90° y detecta ambas polarizaciones en pares de fotodiodos balanceados; los ADC digitalizan el resultado y un DSP recupera la amplitud, la fase y la polarización, y compensa digitalmente la dispersión cromática y la PMD. La sensibilidad mejora 15–20 dB y la modulación puede ser QPSK o 16/64-QAM. Este es el receptor dentro de los módulos 400ZR/ZR+ y de transporte (Óptica coherente).

Receptores asistidos por SOA

Algunos módulos PAM4 de largo alcance (400G ER, algunos de 100G) colocan un amplificador óptico de semiconductor delante del fotodiodo para preamplificar la luz: un camino intermedio entre un APD y la coherencia, a costa de más potencia y coste.

Qué le dice el receptor en el DDM

• La potencia Rx es la medición propia del fotodiodo: el único valor del DDM que casi siempre es real (Niveles de DDM).
• El umbral de alarma de Rx baja es aproximadamente la sensibilidad del receptor; la alarma de Rx alta es su sobrecarga (Umbrales y alarmas).
• LOS se activa cuando la Rx cae por debajo del nivel de pérdida de señal: un comparador por hardware en la salida del TIA, más rápido que cualquier lectura del DDM.
• Un receptor que se degrada (deriva de la ganancia del APD, envejecimiento del TIA) se manifiesta como errores crecientes con potencia Rx normal: el DDM por sí solo no lo detecta; combínelo con los contadores de errores.

En CodingBox

La pantalla DDM muestra la potencia Rx por carril frente a los umbrales de sensibilidad y sobrecarga del módulo, y la pantalla Check transceiver decodifica los códigos de alcance y velocidad que implican un receptor PIN o APD. Al recodificar un módulo, mantenga esos códigos fieles al receptor que realmente lleva.

Ventanas de sensibilidad y sobrecarga por interfaz, y cómo dimensionar un atenuador a partir de las lecturas del DDM: Potencia Rx y presupuesto del enlace, Valores típicos.

El TIA, el amplificador limitador y el circuito de detección de señal que convierten la fotocorriente en bits, y el pin RX_LOS: Electrónica del módulo; el front end lineal y el DSP en los receptores PAM4: Modulación y DSP.