Receptores: PIN, APD, TIA e detecção coerente

O receptor decide quão fraco um sinal um enlace consegue tolerar. Dois tipos de fotodiodo fazem quase todo o trabalho, um par de amplificadores transforma a corrente deles em bits, e para os enlaces mais longos um esquema fundamentalmente diferente — a detecção coerente — os substitui.

Fotodiodos

Um diodo PIN converte cada fóton em no máximo um elétron — simples, linear, ampla faixa dinâmica, baixa tensão de polarização. Um APD opera perto da ruptura (dezenas de volts), de modo que cada fóton dispara uma avalanche de elétrons, ganhando 5–10 dB de sensibilidade ao preço de uma polarização dependente da temperatura, mais ruído e um ponto de sobrecarga mais baixo. Essa sensibilidade extra é o que transforma um módulo de 40 km em um de 80 km, ou permite que uma OLT de PON escute uma ONU através de um splitter 1:64.

Parâmetros-chave: responsividade (A/W, ~0,8–0,9 para InGaAs), largura de banda (precisa cobrir a taxa de símbolo — ~7 GHz para 10G, ~25 GHz para 25G NRZ / 50G PAM4), corrente de escuro (piso de ruído), sobrecarga (potência de saturação, tipicamente −1…+3 dBm; luz em excesso também causa erros).

Da corrente aos bits

fotodiodo ──► TIA ──► LA (NRZ)  ou  amp linear ──► ADC ──► DSP (PAM4) ──► CDR ──► host

• A TIA (amplificador de transimpedância) converte a fotocorrente, da ordem de microampères, em uma tensão com o mínimo de ruído adicionado possível — é ela que basicamente define a sensibilidade do receptor.
• O LA (amplificador limitador) corta a forma de onda em níveis 1/0 limpos para enlaces NRZ.
• TIA linear + ADC + DSP — o PAM4 tem quatro níveis, então o sinal precisa permanecer linear até que um DSP o equalize e o corte; por isso os módulos PAM4 custam e consomem mais.
• Receptores em modo burst (lado OLT do PON) acrescentam ganho rápido e reinício de limiar entre os intervalos de tempo de ONUs diferentes (Transceptores PON).
• ROSAs multilane usam matrizes PIN de 4 ou 8 elementos atrás de uma matriz de lentes ou de um demultiplexador, cada lane com seu próprio canal de TIA — daí a potência Rx por lane no DDM (Diagnóstico por lane).

Sensibilidade, OMA e FEC

A sensibilidade é especificada para uma taxa de erro de bit alvo: 10⁻¹² para enlaces NRZ clássicos, mas para 25G+ e PAM4 o ponto de especificação é o BER pré-FEC (por exemplo, 2,4×10⁻⁴) que o RS-FEC consegue corrigir — então um módulo de 100G com “sensibilidade de −10 dBm” só é utilizável com o FEC ativado (FEC e treinamento de enlace). Especificações multimodo frequentemente indicam a sensibilidade em OMA em vez de potência média; a diferença pode ser de ~3 dB (Calibração).

Detecção coerente

Além de ~80–120 km, ou a 100G+ por comprimento de onda, a detecção direta fica sem orçamento de potência. Um receptor coerente mistura a luz recebida com um laser oscilador local em um híbrido óptico de 90° e detecta as duas polarizações em pares de fotodiodos balanceados; ADCs digitalizam o resultado e um DSP recupera amplitude, fase e polarização — e compensa digitalmente a dispersão cromática e a PMD. A sensibilidade melhora 15–20 dB e a modulação pode ser QPSK ou 16/64-QAM. Esse é o receptor dentro dos módulos 400ZR/ZR+ e de transporte (Óptica coerente).

Receptores assistidos por SOA

Alguns módulos PAM4 de longo alcance (400G ER, alguns 100G) colocam um amplificador óptico semicondutor antes do fotodiodo para pré-amplificar a luz — um caminho intermediário entre um APD e o coerente, com custo e potência extras.

O que o receptor diz a você no DDM

• A potência Rx é a própria medição do fotodiodo — o único valor de DDM que é quase sempre real (Níveis de DDM).
• O limiar de alarme de Rx baixo é aproximadamente a sensibilidade do receptor; o alarme de Rx alto é sua sobrecarga (Limiares e alarmes).
• O LOS é ativado quando o Rx cai abaixo do nível de perda de sinal — um comparador de hardware na saída da TIA, mais rápido que qualquer leitura de DDM.
• Um receptor em degradação (deriva de ganho do APD, envelhecimento da TIA) aparece como erros crescentes com potência Rx normal — o DDM sozinho não detecta isso; combine-o com contadores de erro.

No CodingBox

A tela DDM mostra a potência Rx por lane em relação aos limiares de sensibilidade e sobrecarga do módulo, e a tela Check transceiver decodifica os códigos de alcance e taxa que indicam um receptor PIN ou APD. Ao recodificar um módulo, mantenha esses códigos fiéis ao receptor que ele realmente carrega.

Janelas de sensibilidade e sobrecarga por interface, e como dimensionar um atenuador a partir das leituras do DDM: Potência Rx e orçamento de potência, Valores típicos.

A TIA, o amplificador limitador e o circuito de detecção de sinal que transformam fotocorrente em bits, e o pino RX_LOS: Eletrônica do módulo; o front end linear e o DSP nos receptores PAM4: Modulação e DSP.