Sachverhalt:
A. Das Bezirksgericht Zürich verurteilte X._ am 18. November 2010 wegen Vergewaltigung zu einer unbedingten Freiheitsstrafe von 30 Monaten. Auf das Genugtuungsbegehren des Angeklagten trat es nicht ein.
Auf Berufung des Verurteilten sprach das Obergericht des Kantons Zürich X._ am 20. Juni 2011 vom Vorwurf der Vergewaltigung frei. Für die ungerechtfertigte Untersuchungshaft von 247 Tagen billigte es ihm als Genugtuung je Fr. 80.--, insgesamt Fr. 19'760.-- zu (zuzüglich 5 % Zins ab 16. Februar 2010).
B. X._ führt Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten und beantragt, das angefochtene Urteil sei aufzuheben, und ihm sei eine Genugtuung von Fr. 200.-- pro Hafttag zuzüglich 5 % Zins ab 16. Februar 2010 zuzusprechen.
Erwägungen:
1. Das erstinstanzliche Urteil ist vor dem Inkrafttreten der Schweizerischen Strafprozessordnung (StPO/SR 312.0) am 1. Januar 2011 ergangen. Die vorliegende Beschwerde ist deshalb nach bisherigem Recht zu beurteilen (Art. 453 StPO). Da auch die übrigen Eintretensvoraussetzungen gegeben sind (vgl. Urteil 6B_574/2010 vom 31. Januar 2011 E. 1), ist auf die Beschwerde grundsätzlich einzutreten.
2. Der Beschwerdeführer rügt eine willkürliche und aktenwidrige Sachverhaltsfeststellung sowie willkürliche Anwendung kantonalen Rechts. Die Vorinstanz habe willkürlich angenommen, dass er vor seiner Verhaftung nicht fest angestellt gewesen sei und zu seinem Sohn keinen regelmässigen Kontakt gehabt habe. Sie habe auch nicht berücksichtigt, dass er wegen des Vorwurfs, eine an der Glasknochenkrankheit leidende Frau vergewaltigt zu haben, von den Mitgefangenen schikaniert und gemobbt worden sei. Zudem sei er zufolge akuter Suizidalität nicht hafterstehungsfähig gewesen und habe während drei Wochen in die psychiatrische Klinik Rheinau verlegt werden müssen.
Auf diese Vorbringen kann das Bundesgericht nicht eintreten. Die Vorinstanz hatte zwar von Amtes wegen zu prüfen, ob der Beschwerdeführer infolge der ungerechtfertigten Untersuchungshaft in den persönlichen Verhältnissen schwer verletzt worden war (§ 43 Abs. 1 StPO/ ZH). Doch traf ihn eine Substanziierungspflicht analog § 113 ZPO/ZH, d.h. er hatte die Umstände bekannt zu geben bzw. Anhaltspunkte zu liefern, welche auf Bestand und Umfang des Schadens schliessen liessen (RUTH WALLIMANN BAUR, Entschädigung und Genugtuung durch den Staat an unschuldig Verfolgte im ordentlichen zürcherischen Untersuchungsverfahren, Diss. Zürich 1998, S. 171 Ziff. 7.3 f. mit Hinweisen; Urteil 1P.589/1989 vom 22. Mai 1990 E. 2b).
Dieser Pflicht kam der Beschwerdeführer nicht nach. Er beantragte lediglich eine Genugtuung von Fr. 200.-- pro Hafttag. Ein solcher Betrag wird nur bei kurzfristigem Freiheitsentzug zugesprochen, sofern nicht aussergewöhnliche Umstände vorliegen, die eine höhere Entschädigung rechtfertigen. Zudem ist der Tagessatz bei längerer Untersuchungshaft (von mehreren Monaten Dauer) in der Regel zu senken (Urteil 6B_574/2010 vom 31. Januar 2011, E. 2.3). Da der Beschwerdeführer einen Betrag forderte, der den üblichen Tagessatz für länger dauernde Haft deutlich übertrifft, hätte er bereits im vorinstanzlichen Verfahren alle Faktoren darlegen müssen, die eine überdurchschnittliche Genugtuung gerechtfertigt hätten.
3. Bei der Bemessung der Genugtuung berücksichtigt die Vorinstanz, dass sich der Beschwerdeführer während 247 Tagen ungerechtfertigt in Haft befand, die aber nicht mit besonderer Publizität verbunden war. Die Haft riss ihn weder aus stabilen Arbeitsverhältnissen noch aus einem sozialen Netz. Sie war auch kein schockierendes neues Erlebnis für ihn, weil er im Laufe der letzten Jahre schon mehrfach in Untersuchungshaft und über 18 Monate im Strafvollzug war. Abgesehen von den üblichen Nachteilen und Erschwernissen (psychische Belastung), die eine Inhaftierung mit sich bringt, sind keine weitergehenden psychischen und physischen Folgen der Haft erkennbar (angefochtener Entscheid S. 34 Ziff. 3.3).
Der Beschwerdeführer macht geltend, die Vorinstanz habe willkürlich den besonders schweren Vorwurf, er habe eine an der Glasknochenkrankheit leidende Frau vergewaltigt, nicht berücksichtigt.
Es trifft zu, dass die Vorinstanz diesen Umstand im Rahmen der Genugtuung nicht besonders erwähnt. Deshalb ist nicht klar, wie stark sie diesen Umstand gewichtet hat. Dasselbe gilt für die "Vorkenntnisse" des Beschwerdeführers hinsichtlich Untersuchungshaft und Strafvollzug. Selbst wenn man diese beiden Elemente zugunsten des Beschwerdeführers berücksichtigt, erscheint die zugesprochene Genugtuung angesichts des verbindlichen Sachverhalts (E. 3 Abs. 1) im Ergebnis nicht als willkürlich tief.
4. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist.
Der Beschwerdeführer stellt ein Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege. Soweit auf die Beschwerde eingetreten werden konnte, erschien das Gesuch nicht von vornherein aussichtslos. In diesem Umfang ist das Gesuch gutzuheissen. Insgesamt rechtfertigt es sich, auf eine Kostenauflage zu verzichten und dem Rechtsvertreter des Beschwerdeführers eine reduzierte Entschädigung auszurichten.
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege wird, soweit auf die Beschwerde einzutreten ist, gutgeheissen, und für das bundesgerichtliche Verfahren wird dem Beschwerdeführer Fürsprecher Peter Stein als unentgeltlicher Anwalt beigegeben.
3. Es werden keine Kosten erhoben.
4. Der Rechtsvertreter des Beschwerdeführers wird aus der Bundesgerichtskasse mit Fr. 2'000.-- entschädigt.
5. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 3. Februar 2012
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Der Gerichtsschreiber: Borner