수신기: PIN, APD, TIA와 코히어런트 검출

수신기는 링크가 얼마나 약한 신호까지 견딜 수 있는지를 결정합니다. 거의 모든 작업은 두 종류의 포토다이오드가 담당하고, 한 쌍의 증폭기가 그 전류를 비트로 바꾸며, 가장 긴 링크에서는 근본적으로 다른 방식인 코히어런트 검출이 이를 대신합니다.

포토다이오드

PIN 다이오드는 광자 하나를 전자 하나 이하로 변환합니다 — 단순하고, 선형적이며, 동적 범위가 넓고, 바이어스 전압이 낮습니다. APD는 항복 전압 부근(수십 V)에서 동작해 광자 하나가 전자의 애벌란치를 촉발하며, 그 대가로 온도에 민감한 바이어스, 더 많은 잡음, 더 낮은 과입력 한계를 감수하고 5–10 dB의 수신 감도를 얻습니다. 이 추가 감도 덕분에 40 km급 모듈이 80 km급이 되거나, PON OLT가 1:64 스플리터 너머의 ONU 신호를 들을 수 있습니다.

핵심 파라미터: 응답도(A/W, InGaAs 기준 약 0.8–0.9), 대역폭(심벌 레이트를 충족해야 함 — 10G는 약 7 GHz, 25G NRZ/50G PAM4는 약 25 GHz), 암전류(잡음 바닥), 과입력(포화 파워, 보통 −1…+3 dBm; 빛이 너무 많아도 오류가 발생).

전류에서 비트로

photodiode ──► TIA ──► LA (NRZ)  or  linear amp ──► ADC ──► DSP (PAM4) ──► CDR ──► host

• TIA(트랜스임피던스 증폭기)는 마이크로암페어 단위의 광전류를 전압으로 바꾸며, 이때 추가되는 잡음을 최소화합니다 — 수신 감도의 대부분을 이 단계가 결정합니다.
• LA(리미팅 증폭기)는 NRZ 링크에서 파형을 깨끗한 1/0 레벨로 잘라냅니다.
• 선형 TIA + ADC + DSP — PAM4는 레벨이 4개이므로 DSP가 이퀄라이즈하고 슬라이스할 때까지 신호가 선형을 유지해야 합니다 — PAM4 모듈이 더 비싸고 전력을 더 소모하는 이유입니다.
• 버스트 모드 수신기(PON OLT 측)는 서로 다른 ONU에서 오는 타임 슬롯 사이에서 이득과 임계값을 빠르게 재설정합니다(PON 트랜시버).
• 다레인 ROSA는 렌즈 어레이나 역다중화기 뒤에 4소자 또는 8소자 PIN 어레이를 사용하며, 각 레인마다 자체 TIA 채널을 가집니다 — 그래서 DDM에 레인별 Rx 파워가 존재합니다(레인별 진단).

수신 감도, OMA, FEC

수신 감도는 목표 비트 오류율을 기준으로 제시됩니다: 전통적인 NRZ 링크는 10⁻¹²이지만, 25G 이상과 PAM4에서는 RS-FEC가 정정할 수 있는 pre-FEC BER(예: 2.4×10⁻⁴)이 기준점입니다 — 따라서 "−10 dBm 감도"의 100G 모듈은 FEC를 켠 상태에서만 그 값을 낼 수 있습니다(FEC와 링크 트레이닝). 멀티모드 규격은 평균 파워 대신 OMA로 수신 감도를 표기하는 경우가 많으며, 그 차이는 약 3 dB에 이를 수 있습니다(교정).

코히어런트 검출

약 80–120 km를 넘어서거나 파장당 100G 이상에서는 직접 검출로는 버짓이 부족해집니다. 코히어런트 수신기는 들어오는 빛을 90° 광 하이브리드 안에서 국부 발진 레이저와 혼합하고, 평형 포토다이오드 쌍으로 두 편광을 모두 검출합니다. ADC가 그 결과를 디지털화하고 DSP가 진폭, 위상, 편광을 복원하며 — 색분산과 PMD도 디지털로 보상합니다. 수신 감도가 15–20 dB 개선되고 변조는 QPSK나 16/64-QAM을 쓸 수 있습니다. 이것이 400ZR/ZR+와 전송용 모듈 안에 들어 있는 수신기입니다(코히어런트 옵틱스).

SOA 보조 수신기

일부 장거리 PAM4 모듈(400G ER, 일부 100G)은 포토다이오드 앞에 반도체 광증폭기를 두어 빛을 미리 증폭합니다 — APD와 코히어런트 사이의 중간 경로이며, 그만큼 전력과 비용이 추가됩니다.

DDM에서 수신기가 알려주는 것

• Rx 파워는 포토다이오드 자체의 측정값입니다 — DDM 값 중 거의 항상 실제 값인 유일한 항목입니다(DDM 수치).
• Rx 로우 알람 임계값은 대략 수신기의 수신 감도이며, Rx 하이 알람은 그 과입력 한계입니다(임계값과 알람).
• Rx가 신호 손실(LOS) 레벨 아래로 떨어지면 LOS가 발생합니다 — TIA 출력단의 하드웨어 비교기로 동작하며, 어떤 DDM 판독보다도 빠릅니다.
• 수신기가 열화되면(APD 이득 드리프트, TIA 노화) Rx 파워가 정상인데도 오류가 늘어나는 형태로 나타납니다 — DDM만으로는 잡아낼 수 없으므로 오류 카운터와 함께 봐야 합니다.

CodingBox에서

DDM 화면은 레인별 Rx 파워를 모듈의 수신 감도 및 과입력 임계값과 함께 보여주며, Check transceiver 화면은 PIN인지 APD인지를 암시하는 전송 거리와 레이트 코드를 디코딩합니다. 모듈을 리코딩할 때는 이 코드들이 실제로 탑재된 수신기와 일치하도록 유지하십시오.

인터페이스별 수신 감도와 과입력 범위, DDM 판독값으로 감쇠기 규격을 정하는 방법: Rx 파워와 링크 버짓, 표준값.

광전류를 비트로 바꾸는 TIA, 리미팅 증폭기, 신호 검출 회로와 RX_LOS 핀: 모듈 전자 회로; PAM4 수신기의 선형 프런트엔드와 DSP: 변조와 DSP.