Bộ thu: PIN, APD, TIA và tách sóng coherent

Bộ thu quyết định một liên kết chịu được tín hiệu yếu đến mức nào. Hai loại photodiode đảm nhận gần như toàn bộ công việc, một cặp bộ khuếch đại biến dòng điện của chúng thành bit, và với các liên kết dài nhất, một cơ chế về bản chất khác hẳn — tách sóng coherent — thay thế chúng.

Photodiode

Một diode PIN chuyển mỗi photon thành nhiều nhất một electron — đơn giản, tuyến tính, dải động rộng, điện áp phân cực thấp. Một APD được vận hành gần điểm đánh thủng (hàng chục volt) để mỗi photon kích hoạt một thác lũ electron, đổi lấy 5–10 dB độ nhạy với cái giá là dòng phân cực phụ thuộc nhiệt độ, nhiễu cao hơn và ngưỡng quá tải thấp hơn. Chính phần độ nhạy thêm đó biến một module 40 km thành module 80 km, hoặc giúp một OLT của PON nghe được một ONU qua một bộ chia quang 1:64.

Các tham số chính: độ đáp ứng (A/W, ~0,8–0,9 với InGaAs), băng thông (phải đủ cho tốc độ ký hiệu — ~7 GHz cho 10G, ~25 GHz cho 25G NRZ / 50G PAM4), dòng tối (mức nhiễu nền), quá tải (công suất bão hòa, thường −1…+3 dBm; quá nhiều ánh sáng cũng gây lỗi).

Từ dòng điện đến bit

photodiode ──► TIA ──► LA (NRZ)  hoặc  bộ khuếch đại tuyến tính ──► ADC ──► DSP (PAM4) ──► CDR ──► host

• TIA (bộ khuếch đại biến trở kháng) chuyển dòng quang cỡ micro-ampe thành điện áp với càng ít nhiễu thêm vào càng tốt — nó gần như quyết định độ nhạy của bộ thu.
• LA (bộ khuếch đại giới hạn) cắt dạng sóng thành các mức 1/0 rõ ràng cho liên kết NRZ.
• TIA tuyến tính + ADC + DSP — PAM4 có bốn mức, nên tín hiệu phải giữ tuyến tính cho đến khi một DSP cân bằng và phân ngưỡng nó; đây là lý do module PAM4 đắt hơn và tiêu thụ nhiều hơn.
• Bộ thu chế độ burst (phía OLT của PON) bổ sung khả năng đặt lại nhanh độ khuếch đại và ngưỡng giữa các khe thời gian đến từ các ONU khác nhau (Transceiver PON).
• ROSA nhiều làn dùng dãy PIN 4 hoặc 8 phần tử đặt sau một dãy thấu kính hoặc một bộ giải ghép kênh, mỗi làn có kênh TIA riêng — đó là lý do có công suất Rx theo từng làn trong DDM (Chẩn đoán theo từng làn).

Độ nhạy, OMA và FEC

Độ nhạy được công bố ứng với một tỷ lệ lỗi bit mục tiêu: 10⁻¹² đối với liên kết NRZ cổ điển, nhưng với 25G trở lên và PAM4, điểm chuẩn trong spec là BER trước FEC (ví dụ 2,4×10⁻⁴) mà RS-FEC có thể sửa được — vì vậy một module 100G có “độ nhạy −10 dBm” chỉ dùng được khi bật FEC (FEC và huấn luyện liên kết). Spec của đa mode thường nêu độ nhạy theo OMA thay vì công suất trung bình; chênh lệch có thể tới ~3 dB (Hiệu chuẩn).

Tách sóng coherent

Vượt quá khoảng 80–120 km, hoặc ở 100G trở lên trên mỗi bước sóng, tách sóng trực tiếp hết quỹ công suất. Một bộ thu coherent trộn ánh sáng đến với một laser dao động nội trong một bộ ghép lai quang 90° và tách cả hai phân cực trên các cặp photodiode cân bằng; các ADC số hóa kết quả và một DSP khôi phục biên độ, pha và phân cực — đồng thời bù tán sắc màu và PMD bằng phương pháp số. Độ nhạy được cải thiện 15–20 dB và điều chế có thể là QPSK hoặc 16/64-QAM. Đây là bộ thu bên trong các module 400ZR/ZR+ và module truyền tải (Quang học coherent).

Bộ thu có trợ giúp của SOA

Một số module PAM4 cự ly dài (400G ER, một số loại 100G) đặt một bộ khuếch đại quang bán dẫn trước photodiode để khuếch đại sơ bộ ánh sáng — một giải pháp trung gian giữa APD và coherent, đổi lại bằng công suất và chi phí tăng thêm.

Bộ thu cho bạn biết gì qua DDM

• Công suất Rx là phép đo của chính photodiode — giá trị DDM gần như luôn luôn là thật (Mức DDM).
• Ngưỡng báo động Rx thấp xấp xỉ độ nhạy của bộ thu; báo động Rx cao là ngưỡng quá tải của nó (Ngưỡng và báo động).
• LOS được kích hoạt khi Rx tụt xuống dưới mức mất tín hiệu — một bộ so sánh phần cứng trên đầu ra TIA, nhanh hơn bất kỳ lần đọc DDM nào.
• Một bộ thu đang suy giảm (độ khuếch đại APD trôi, TIA lão hóa) biểu hiện thành lỗi tăng lên trong khi công suất Rx vẫn bình thường — chỉ riêng DDM sẽ không phát hiện ra; hãy kết hợp với bộ đếm lỗi.

Trong CodingBox

Màn hình DDM hiển thị công suất Rx theo từng làn so với ngưỡng độ nhạy và quá tải của module, còn màn hình Check transceiver giải mã các mã cự ly và tốc độ ngụ ý bộ thu là PIN hay APD. Khi lập trình lại một module, hãy giữ các mã đó trung thực với bộ thu mà nó thực sự mang.

Khoảng độ nhạy và quá tải theo từng giao diện, và cách chọn cỡ bộ suy hao từ chỉ số DDM: Công suất Rx và quỹ công suất tuyến, Giá trị điển hình.

TIA, bộ khuếch đại giới hạn và mạch signal-detect biến dòng quang thành bit, cùng chân RX_LOS: Điện tử của module; khối đầu vào tuyến tính và DSP trên các bộ thu PAM4: Điều chế và DSP.