ما هي نسبة الإشارة الكهربائية إلى الضوضاء في أنظمة النقل البصري؟

في أنظمة النقل البصري، غالبًا ما نستخدم نسبة الإشارة إلى الضوضاء الضوئية، OSNR (SNRo) لتقييم أداء النظام. ولكن في نظام النقل بأكمله، يرتبط معدل خطأ بتات المستقبل والمؤشرات الأخرى أيضًا بنسبة الإشارة إلى الضوضاء الكهربائية (SNRe).

إن مفهوم وتأثير نسبة الإشارة إلى الضوضاء الكهربائية لم تتم مناقشته بشكل أقل في الوثائق والمواد التي واجهناها. دعونا نلقي نظرة على الإشارة الضوئية المتدهورة بسبب ضوضاء الانبعاث التلقائي المتضخم ASE بعد المرور عبر مضخم بصري، ونسبة الإشارة إلى الضوضاء الكهربائية (SNRe) للتيار المتولد عند سقوطه على الكاشف الضوئي.

لتسهيل المناقشة، نستخدم التكوين الموضح في الشكل أعلاه، ونفترض أنه يتم استخدام مضخم ضوئي واحد قبل جهاز الاستقبال لتضخيمه قبل اكتشاف إشارة منخفضة الطاقة. يستخدم هذا التكوين أحيانًا لتحسين الحساسية عن طريق زيادة الطاقة الضوئية التي تصل إلى الكاشف من خلال التضخيم البصري.

التقلبات الحالية الناجمة عن بورصة عمان

في الشكل أعلاه، يتم وضع مكبر الصوت البصري قبل الكاشف، والذي يمكنه تعويض الخسارة الناجمة عن خط الألياف الضوئية، وتحسين الطاقة الضوئية عند الطرف المتلقي لتلبية حساسية جهاز الاستقبال. ومع ذلك، يضيف مكبر الصوت البصري أيضًا ضوضاء انبعاث تلقائية من ASE إلى الإشارة، مما يولد ضوضاء إضافية في تيار المستقبل.

بعد أن يستقبل الكاشف طاقة الموجة الضوئية، يقوم بتحويل الإشارة الضوئية إلى إشارة كهربائية. المبدأ هو أنه عندما يسلط الضوء على مادة شبه موصلة، فإن الفوتونات سوف تصطدم بالإلكترونات الموجودة في المادة شبه الموصلة، مما يجعلها تقفز إلى نطاق التوصيل، وبالتالي تشكل ثقبًا وأزواجًا من الإلكترونات. سيتحرك هذا الزوج الحامل الفعال (زوج ثقب الإلكترون) في شبه الموصل، ويشكل تيارًا ضوئيًا عند تطبيق انحياز خارجي.

نظرًا لأن مكبر الصوت لديه توليد ضوضاء ASE، فإننا ندرج مساهمته في مجال الإشارة Es، ويمكن كتابة صيغة التيار الكهروضوئي الناتج عن جهاز الاستقبال على النحو التالي:

G هو كسب مكبر الصوت، وiT هما التقلبات الحالية الناجمة عن ضوضاء الطلقة والضوضاء الحرارية، على التوالي. وفي الوقت نفسه، يمكن تقسيم ASE إلى جزأين، الجزء المستقطب المشترك Ecp والجزء المستقطب المتعامد Eop. فقط جزء ASE المستقطب المشترك Ecp يمكنه التغلب على الإشارة. فيما يتعلق بضوضاء الطلقة، إليك شرح بسيط، لأن الضوء يتكون من فوتونات منفصلة (الطبيعة الجسيمية للضوء) والضوضاء المتولدة أثناء الإرسال، لأنها تتبع توزيع بواسون، وتسمى أيضًا ضوضاء بواسون، مع زيادة شدة الضوء ، كما يزيد متوسط ​​الضوضاء.

هنا، يرجى فهم أن الضجيج الحالي الناجم عن ASE ينشأ بشكل أساسي من ضرب Es وEcp وضرب ASE مع نفسه.

لفهم ظاهرة الضرب هذه بشكل أفضل، يرجى ملاحظة أن ASE تحدث على نطاق ترددي أوسع من عرض نطاق الإشارة Δνs. يمكننا تقسيم عرض النطاق الترددي ASE Δνo إلى مقاطع M، كل منها بعرض نطاق Δνs. يمكننا كتابة Ecp على النحو التالي:

حيث Φm هي مرحلة مكون الضوضاء عند التردد ωm = ωl + m(2πΔνs)، ωl هي الحد الأدنى لنطاق تمرير المرشح. كثافة طيف ASE للمكبر هي:

ملاحظة: شكل Eop هو نفس شكل Ecp.

باستخدام الصيغة التالية والتعبير أعلاه لـ Ecp بما في ذلك جميع مصطلحات الضرب،

استبدال الصيغة أعلاه للتيار I:

حيث، isig – sp و isp – sp هي التقلبات الحالية الناجمة عن الضرب الذاتي "signal-ASE" و "ASE-ASE"، على التوالي.

وبما أن هذين التيارين الضوضائيين يتقلبان بسرعة مع مرور الوقت، فإننا بحاجة إلى معرفة متوسطهما وتباينهما. يمكن اشتقاق متوسط ​​التقلب الحالي لـ "Signal-ASE" ⟨isig – sp⟩ على أنه 0. ومع ذلك، فإن التقلب الحالي لـ "ASE-ASE" ⟨isp – sp⟩ له قيمة محدودة.

وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضاً حساب تباينات تياري الضوضاء بواسطة المجموع المربع ومتوسط ​​الوقت. نكتب هنا مباشرة التباين الكلي للتقلب الحالي σ2:

حيث يكون لتباين ضوضاء اللقطة σ2s مساهمة إضافية من المتوسط، وهي:

حيث Δf هو عرض نطاق الضوضاء الفعال للمستقبل. PASE هو إجمالي طاقة ASE التي تدخل إلى جهاز الاستقبال.

بورصة عمان'التأثير على نسبة الإشارة إلى الضوضاء

يتم تعريف نسبة الإشارة إلى الضوضاء الكهربائية (SNRe) على أنها نسبة متوسط ​​قدرة الإشارة إلى قدرة الضوضاء، والتي تحدد أداء جهاز الاستقبال البصري. بالنظر إلى أن الطاقة الكهربائية تتناسب مع مربع التيار، وبالجمع بين المناقشة أعلاه، يمكننا حساب نسبة الإشارة الكهربائية إلى الضوضاء SNRe لجهاز الاستقبال:

لذا، بما أن الإشارة يتم تضخيمها قبل الكشف، فهل زادت نسبة الإشارة إلى الضوضاء SNRe أم انخفضت؟

للإجابة على هذا السؤال، قمنا بمقارنة الصيغة أعلاه مع نسبة الإشارة إلى الضوضاء بدون مضخم بصري.

(1) في حالة عدم وجود مضخم بصري، أي بافتراض G = 1، PASE = 0، تكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء:

بالإضافة إلى ذلك، خذ بعين الاعتبار حالة جهاز الاستقبال المثالي، الذي لا يحتوي على ضوضاء حرارية وكفاءة كمومية تبلغ 100%، وبالتالي Rd = q/hν0. في هذه الحالة، تكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء بدون مكبر للصوت هي:

(2) عند استخدام مضخم بصري، يهيمن على التباين الحالي σ2sig – sp. وهذا يعني تجاهل مصطلحات σ2sp – sp وPASE في صيغة SNRe أعلاه، ويمكن العثور على أن SNR هي:

في الواقع، الضوضاء الحرارية أكبر بكثير من الضوضاء المتناثرة، لذلك قبل الاستنتاج بأن المضخمات الضوئية تقلل دائمًا من نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNRe)، يجب أن تؤخذ الضوضاء الحرارية في الاعتبار. بتجاهل الضوضاء المتناثرة في تعبير SNRe (بدون OA) أعلاه والاحتفاظ بالمصطلح السائد σ2sig – sp في تعبير SNRe (OA)، سنجد أن نسبة الإشارة الكهربائية إلى الضوضاء مع وبدون OA هي:

يمكن أن نرى من الصيغة أعلاه أن تقليل Ps وزيادة كسب مكبر الصوت G يمكن أن يجعل هذه النسبة كبيرة جدًا.

ولكن ينبغي أن نلاحظ أن ضوضاء المستقبل تهيمن عليها σ2sig – sp، وهي كبيرة جدًا بحيث يمكن تجاهل الضوضاء الحرارية، ويمكن فهم هذا التناقض الظاهري. بمعنى آخر، تساعد الإشارة المضخمة بصريًا على إخفاء الضوضاء الحرارية، وبالتالي تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء. في الواقع، إذا احتفظنا فقط بمصطلح الضوضاء السائد، تصبح نسبة الإشارة إلى الضوضاء الكهربائية SNRe للإشارة المضخمة:

وأخيرًا، قمنا بمقارنتها مع نسبة الإشارة إلى الضوضاء الضوئية SNRo=GPs/PASE.

يمكن أن نرى من المعادلة المذكورة أعلاه أنه في ظل نفس الظروف، تكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء الكهربائية SNRe أعلى من نسبة الإشارة إلى الضوضاء البصرية SNRo بمقدار ∆v0 /2∆f، لأن ضوضاء ASE يتم إنشاؤها فقط على عرض نطاق جهاز الاستقبال Δf، وعرض نطاق جهاز الاستقبال أضيق بكثير من عرض نطاق المرشح Δνo.

تراكم الضوضاء iن رابط مكبر للصوت البصري

من الناحية العملية، تتطلب أنظمة WDM للمسافات الطويلة مضخمات بصرية متعددة متتالية. يعد تراكم ضوضاء الانبعاث التلقائي ASE هو العامل الأكثر أهمية لمثل هذه الأنظمة.

أولاً، في الوصلة المتسلسلة للمضخم البصري، سوف تتراكم ASE على مكبرات صوت متعددة، وتقلل نسبة الإشارة إلى الضوضاء مع زيادة عدد مكبرات الصوت.

ثانيًا، مع زيادة مستوى ASE، فإنه يبدأ في تشبع المضخم البصري وتقليل كسب المضخم الموجود أسفل وصلة الألياف. يؤدي هذا في النهاية إلى انخفاض مستوى الإشارة وزيادة مستوى ASE.

بالإضافة إلى ذلك، نحتاج إلى معرفة أن النظام المضخم بصريًا له وظيفة التنظيم الذاتي، أي أن الطاقة الإجمالية (Ptotal = Ps + PASE) بعد إضافة قوة الإشارة Ps وقوة PASE ستبقى ثابتة نسبيًا. لذلك، يجب علينا تجنب تشبع الكسب الناتج عن بورصة عمان قدر الإمكان.