ตัวรับ: PIN, APD, TIA และการตรวจจับแบบโคฮีเรนต์

ตัวรับเป็นตัวกำหนดว่าลิงก์หนึ่งทนสัญญาณที่อ่อนได้แค่ไหน โฟโตไดโอดสองชนิดทำงานเกือบทั้งหมด ตัวขยายสัญญาณคู่หนึ่งแปลงกระแสของมันให้เป็นบิต และสำหรับลิงก์ที่ยาวที่สุด รูปแบบที่แตกต่างไปโดยพื้นฐาน — การตรวจจับแบบโคฮีเรนต์ — เข้ามาแทนที่ทั้งคู่

โฟโตไดโอด

ไดโอด PIN แปลงโฟตอนแต่ละตัวเป็นอิเล็กตรอนได้อย่างมากหนึ่งตัว — เรียบง่าย เป็นเชิงเส้น ช่วงไดนามิกกว้าง ใช้แรงดันไบอัสต่ำ ส่วน APD ทำงานใกล้จุดพังทลาย (หลายสิบโวลต์) จนโฟตอนแต่ละตัวกระตุ้นให้เกิดอิเล็กตรอนหิมะถล่ม แลกมาด้วยความไวที่เพิ่มขึ้น 5–10 dB โดยต้องจ่ายด้วยไบอัสที่ขึ้นกับอุณหภูมิ สัญญาณรบกวนที่มากขึ้น และจุดโอเวอร์โหลดที่ต่ำลง ความไวส่วนเกินนี้เองที่ทำให้โมดูลระยะ 40 km กลายเป็น 80 km ได้ หรือทำให้ OLT ของ PON ได้ยิน ONU ผ่านสปลิตเตอร์ 1:64

พารามิเตอร์สำคัญ: รีสปอนซิวิตี (A/W, ~0.8–0.9 สำหรับ InGaAs), แบนด์วิดท์ (ต้องครอบคลุมอัตราสัญลักษณ์ — ~7 GHz สำหรับ 10G, ~25 GHz สำหรับ 25G NRZ/50G PAM4), กระแสมืด (พื้นสัญญาณรบกวน), โอเวอร์โหลด (กำลังอิ่มตัว โดยทั่วไป −1…+3 dBm; แสงที่มากเกินไปก็ทำให้เกิดข้อผิดพลาดได้เช่นกัน)

จากกระแสสู่บิต

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

• TIA (ตัวขยายทรานส์อิมพีแดนซ์) แปลงกระแสแสงระดับไมโครแอมป์ให้เป็นแรงดันโดยเพิ่มสัญญาณรบกวนให้น้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้ — เป็นตัวกำหนดความไวของตัวรับเป็นส่วนใหญ่
• LA (ตัวขยายสัญญาณแบบจำกัดระดับ) ตัดรูปคลื่นให้เป็นระดับ 1/0 ที่คมชัดสำหรับลิงก์ NRZ
• TIA เชิงเส้น + ADC + DSP — PAM4 มีสี่ระดับ สัญญาณจึงต้องคงความเป็นเชิงเส้นไว้จนกว่า DSP จะปรับสมดุลสัญญาณและตัดระดับ นี่คือเหตุผลที่โมดูล PAM4 มีต้นทุนและกินไฟมากกว่า
• ตัวรับแบบเบิสต์ (ฝั่ง OLT ของ PON) เพิ่มการรีเซ็ตเกนและค่าเกณฑ์อย่างรวดเร็วระหว่างช่วงเวลาของ ONU แต่ละตัว (ทรานซีฟเวอร์ของ PON)
• ROSA หลายเลน ใช้แถว PIN แบบ 4 หรือ 8 องค์ประกอบอยู่หลังแถวเลนส์หรือดีมัลติเพล็กเซอร์ แต่ละเลนมีช่องสัญญาณ TIA ของตัวเอง — จึงเป็นที่มาของกำลัง Rx ต่อเลนใน DDM (การวินิจฉัยแบบต่อเลน)

ความไว OMA และ FEC

ความไวถูกระบุไว้สำหรับอัตราบิตผิดพลาดเป้าหมายค่าหนึ่ง: 10⁻¹² สำหรับลิงก์ NRZ แบบดั้งเดิม แต่สำหรับ 25G ขึ้นไปและ PAM4 จุดสเปกคือ BER ก่อน FEC (เช่น 2.4×10⁻⁴) ที่ RS-FEC แก้ไขได้ — ดังนั้นโมดูล 100G ที่ระบุ “ความไว −10 dBm” จะใช้งานได้จริงก็ต่อเมื่อเปิด FEC เท่านั้น (FEC และการฝึกลิงก์) สเปกของมัลติโหมดมักระบุความไวเป็น OMA แทนที่จะเป็นกำลังเฉลี่ย ความแตกต่างอาจอยู่ที่ ~3 dB (การสอบเทียบ)

การตรวจจับแบบโคฮีเรนต์

เกินระยะ ~80–120 km หรือที่ 100G ขึ้นไปต่อความยาวคลื่น การตรวจจับโดยตรงจะหมดงบประมาณลิงก์ ตัวรับโคฮีเรนต์ ผสมแสงที่เข้ามากับ เลเซอร์ออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่น ในไฮบริดเชิงแสง 90° แล้วตรวจจับทั้งสองโพลาไรเซชันด้วย คู่โฟโตไดโอดแบบบาลานซ์ ADC แปลงผลลัพธ์เป็นดิจิทัล และ DSP กู้คืนแอมพลิจูด เฟส และโพลาไรเซชัน พร้อมทั้งชดเชยดิสเพอร์ชันแบบโครมาติกและ PMD ด้วยวิธีดิจิทัล ความไวดีขึ้น 15–20 dB และการมอดูเลตอาจเป็น QPSK หรือ 16/64-QAM นี่คือตัวรับที่อยู่ภายในโมดูล 400ZR/ZR+ และโมดูลทรานสปอร์ต (ออปติคัลโคฮีเรนต์)

ตัวรับที่มี SOA ช่วย

โมดูล PAM4 ระยะไกลบางรุ่น (400G ER, บาง 100G) วาง ตัวขยายสัญญาณเชิงแสงแบบเซมิคอนดักเตอร์ ไว้ก่อนโฟโตไดโอดเพื่อขยายแสงล่วงหน้า — เป็นทางสายกลางระหว่าง APD กับโคฮีเรนต์ แลกมาด้วยกำลังไฟและต้นทุนที่เพิ่มขึ้น

ตัวรับบอกอะไรคุณได้บ้างใน DDM

• กำลัง Rx คือค่าที่โฟโตไดโอดวัดได้เอง — เป็นค่าเดียวใน DDM ที่แทบจะเป็นค่าจริงเสมอ (ระดับค่าใน DDM)
• ค่าเกณฑ์ อะลาร์ม Rx ต่ำ ใกล้เคียงกับความไวของตัวรับ ส่วน อะลาร์ม Rx สูง คือจุดโอเวอร์โหลดของมัน (ค่าเกณฑ์และอะลาร์ม)
• LOS จะยืนยันสถานะเมื่อ Rx ตกต่ำกว่าระดับสัญญาณขาดหาย — เป็นตัวเปรียบเทียบฮาร์ดแวร์ที่เอาต์พุตของ TIA เร็วกว่าการอ่านค่าผ่าน DDM ใด ๆ
• ตัวรับที่เสื่อมสภาพ (เกนของ APD เลื่อนไหล, TIA เสื่อมอายุ) แสดงออกมาเป็น ข้อผิดพลาดที่เพิ่มขึ้นในขณะที่กำลัง Rx ยังปกติ — DDM เพียงอย่างเดียวจับสิ่งนี้ไม่ได้ ต้องใช้ร่วมกับตัวนับข้อผิดพลาด

ใน CodingBox

หน้าจอ DDM แสดงกำลัง Rx ต่อเลนเทียบกับค่าเกณฑ์ความไวและโอเวอร์โหลดของโมดูล ส่วนหน้าจอ Check transceiver ถอดรหัสระยะส่งและรหัสอัตราที่บ่งชี้ว่าตัวรับเป็น PIN หรือ APD เมื่อเขียนรหัสโมดูลใหม่ ให้รักษารหัสเหล่านั้นให้ตรงกับตัวรับที่โมดูลมีอยู่จริง

ช่วงความไวและโอเวอร์โหลดตามแต่ละอินเทอร์เฟซ และวิธีเลือกขนาดตัวลดทอนสัญญาณจากค่าที่อ่านได้ใน DDM: กำลัง Rx และงบประมาณลิงก์, ค่าทั่วไป

TIA, ตัวขยายสัญญาณแบบจำกัดระดับ และวงจรตรวจจับสัญญาณที่แปลงกระแสแสงให้เป็นบิต รวมถึงขา RX_LOS: วงจรอิเล็กทรอนิกส์ของโมดูล; ภาคหน้าเชิงเส้นและ DSP บนตัวรับ PAM4: การมอดูเลตและ DSP