受信器：PIN、APD、TIA とコヒーレント検波

受信器は、リンクがどこまで弱い信号に耐えられるかを決めます。ほとんどの仕事は2種類のフォトダイオードが担い、一対のアンプがその電流をビットに変換します。そして最長のリンクでは、コヒーレント検出という根本的に異なる方式がそれらに取って代わります。

フォトダイオード

PIN フォトダイオードは、各光子を最大1個の電子に変換します。シンプルで線形、ダイナミックレンジが広く、バイアス電圧も低くて済みます。APD はブレークダウン近く（数十ボルト）で動作させることで、1個の光子が電子なだれを引き起こすようにし、5–10 dB の受信感度と引き換えに、温度依存のバイアス、増加するノイズ、低下する過入力点を受け入れます。この追加の受信感度によって、40 km 用のモジュールが 80 km に対応できるようになったり、PON の OLT が 1:64 スプリッターの先にある ONU の信号を聞き取れるようになったりします。

主要なパラメーターは次のとおりです。応答度（A/W、InGaAs で約 0.8–0.9）、帯域幅（シンボルレートをカバーする必要があり、10G で約 7 GHz、25G NRZ／50G PAM4 で約 25 GHz）、暗電流（ノイズフロア）、過入力（飽和パワー。通常 −1…+3 dBm。光が強すぎてもエラーの原因になる）。

電流からビットへ

フォトダイオード ──► TIA ──► LA（NRZ） または 線形アンプ ──► ADC ──► DSP（PAM4） ──► CDR ──► ホスト

• TIA（トランスインピーダンスアンプ）。マイクロアンペア級のフォトカレントを、できるだけノイズを加えずに電圧へ変換します。受信感度の大部分はここで決まります。
• LA（リミッティングアンプ）。NRZ リンク向けに、波形をクリーンな 1/0 レベルにスライスします。
• リニア TIA + ADC + DSP。 PAM4 は4つのレベルを持つため、DSP が等化してスライスするまで信号は線形のまま保たれる必要があります。これが PAM4 モジュールのコストと消費電力が大きい理由です。
• バーストモード受信器（PON の OLT 側）。異なる ONU からのタイムスロットの間で、高速なゲインとしきい値のリセットを行います（PON トランシーバーを参照）。
• マルチレーン ROSA。 レンズアレイまたはデマルチプレクサーの奥に 4 素子または 8 素子の PIN アレイを配置し、各レーンが専用の TIA チャネルを持ちます。これが DDM でレーンごとの Rx パワーが得られる理由です（レーンごとの診断を参照）。

受信感度、OMA、FEC

受信感度は、目標とするビット誤り率に対して規定されます。従来の NRZ リンクでは 10⁻¹²ですが、25G 以上と PAM4 では、RS-FEC が訂正できるFEC 前の BER（例：2.4×10⁻⁴）が基準点になります。そのため、「受信感度 −10 dBm」とされる 100G モジュールも、FEC を有効にして初めて使用できます（FEC とリンクトレーニングを参照）。マルチモードの仕様では、平均パワーではなくOMAで受信感度を示すことが多く、その差は約 3 dB になることがあります（校正を参照）。

コヒーレント検出

約 80–120 km を超える距離、あるいは波長あたり 100G 以上になると、直接検波ではリンクバジェットが足りなくなります。コヒーレント受信器は、入射光を 90 度光ハイブリッドの中で局部発振レーザーと混合し、バランス型フォトダイオードペアで両偏波を検出します。ADC がその結果をデジタル化し、DSP が振幅、位相、偏波を復元するとともに、波長分散と PMD をデジタル的に補償します。受信感度は 15–20 dB 向上し、変調方式には QPSK や 16/64QAM を使用できます。これは 400ZR/ZR+ やトランスポートモジュールに搭載される受信器です（コヒーレント光伝送を参照）。

SOA 併用型受信器

一部の長距離 PAM4 モジュール（400G ER や一部の 100G）は、フォトダイオードの手前に半導体光増幅器（SOA）を配置して光を事前に増幅します。APD とコヒーレントの中間的な方式であり、消費電力とコストは増加します。

DDM で受信器が伝えること

• Rx パワーはフォトダイオード自身の測定値であり、DDM の値の中でほぼ常に実測値と言えるものです（DDM の値を参照）。
• Rx 低パワーアラームのしきい値はおおよそ受信器の受信感度に相当し、Rx 高パワーアラームはその過入力点に相当します（しきい値とアラームを参照）。
• LOS は、Rx が信号断レベルを下回ると発生します。TIA の出力にあるハードウェアコンパレーターによるもので、どの DDM の読み取りよりも高速です。
• 受信器の劣化（APD の利得ドリフト、TIA の経年劣化）は、Rx パワーが正常なままエラーが増加するという形で現れます。DDM だけでは検知できないため、エラーカウンターと組み合わせてください。

CodingBox では

DDM 画面は、レーンごとの Rx パワーを、モジュールの受信感度や過入力のしきい値と並べて表示します。Check transceiver 画面は、PIN か APD かを示す伝送距離コードとレートコードをデコードします。モジュールを再コーディングする際は、これらのコードを実際に搭載されている受信器と一致させてください。

インターフェースごとの受信感度と過入力の範囲、DDM の読み値からアッテネーターのサイズを決める方法：Rx パワーとリンクバジェット、標準的な値。

フォトカレントをビットに変換する TIA、リミッティングアンプ、信号検出回路と RX_LOS ピン：モジュールのエレクトロニクス。PAM4 受信器のリニアフロントエンドと DSP：変調と DSP。