En los sistemas de transmisión óptica, a menudo utilizamos la relación señal-ruido óptica, OSNR (SNRo) para evaluar el rendimiento del sistema. Pero en todo el sistema de transmisión, la tasa de error de bits del receptor y otros indicadores también están relacionados con la relación señal-ruido eléctrica (SNRe).
El concepto y la influencia de la relación señal-ruido eléctrica se analizan menos en los documentos y materiales que hemos encontrado. Echemos un vistazo a la señal óptica degradada por el ruido de emisión espontánea amplificado ASE después de pasar por un amplificador óptico, y la relación señal-ruido eléctrica (SNRe) de la corriente generada cuando incide sobre el fotodetector.
Para facilitar la discusión, usamos la configuración que se muestra en la figura anterior y asumimos que se usa un amplificador óptico antes del receptor para amplificarlo antes de detectar una señal de baja potencia. Esta configuración se utiliza a veces para mejorar la sensibilidad aumentando la potencia óptica que llega al detector mediante amplificación óptica.
Fluctuaciones de corriente inducidas por ASE
En la figura anterior, el amplificador óptico se coloca antes del detector, lo que puede compensar la pérdida causada por la línea de fibra óptica y mejorar la potencia óptica en el extremo receptor para cumplir con la sensibilidad del receptor. Sin embargo, el amplificador óptico también añade ruido de emisión espontánea ASE a la señal, lo que genera ruido adicional en la corriente del receptor.
Una vez que el detector recibe la energía de la onda óptica, convierte la señal óptica en una señal eléctrica. El principio es que cuando la luz incide sobre un material semiconductor, los fotones chocarán con los electrones del material semiconductor, lo que hará que salten a la banda de conducción, formando así pares de huecos y electrones. Este par de portadores efectivo (par electrón-hueco) se moverá en el semiconductor y formará una fotocorriente cuando se aplique una polarización externa.
Dado que el amplificador tiene generación de ruido ASE, incluimos su contribución al campo de señal Es, y la fórmula para la fotocorriente generada por el receptor se puede escribir como:
G es la ganancia del amplificador, is e iT son las fluctuaciones de corriente causadas por el ruido de disparo y el ruido térmico, respectivamente. Al mismo tiempo, ASE se puede dividir en dos partes, la parte copolarizada de ASE Ecp y la parte polarizada ortogonal Eop. Sólo la parte ASE copolarizada Ecp puede transmitir la señal. Respecto al ruido de disparo, aquí tienes una explicación sencilla, porque la luz está compuesta por fotones discretos (la naturaleza partícula de la luz) y el ruido generado durante la transmisión, porque sigue una distribución de Poisson, también se llama Ruido de Poisson, a medida que aumenta la intensidad de la luz. , el ruido medio también aumenta.
En este punto, comprenda que el ruido actual causado por ASE se origina principalmente por el latido de Es y Ecp y el latido de ASE consigo mismo.
Para comprender mejor este fenómeno de latido, tenga en cuenta que ASE ocurre en un ancho de banda más amplio que el ancho de banda de la señal Δνs. Podemos dividir el ancho de banda ASE Δνo en M segmentos, cada uno con un ancho de banda de Δνs. Podemos escribir Ecp de la siguiente manera:
Donde Φm es la fase del componente de ruido a la frecuencia ωm = ωl + m(2πΔνs), ωl es el límite inferior de la banda de paso del filtro. La densidad del espectro ASE del amplificador es:
PD: La forma de Eop es la misma que la de Ecp.
Usando la siguiente fórmula y la expresión anterior de Ecp e incluyendo todos los términos de superación,
Sustituyendo la fórmula anterior por la actual I:
Donde, isig – sp e isp – sp son las fluctuaciones actuales causadas por la autolatido “señal-ASE” y “ASE-ASE”, respectivamente.
Dado que estas dos corrientes de ruido fluctúan rápidamente con el tiempo, necesitamos conocer su media y varianza. La media de la fluctuación actual de "señal-ASE" ⟨isig - sp⟩ se puede derivar como 0. Sin embargo, la fluctuación actual de "ASE-ASE" ⟨isp - sp⟩ tiene un valor finito.
Además, las variaciones de las dos corrientes de ruido también se pueden calcular mediante la suma de los cuadrados y el promedio temporal. Escribimos aquí directamente la varianza total de la fluctuación actual σ2:
Donde la varianza del ruido de disparo σ2s tiene una contribución adicional de la media, es decir:
Donde, Δf es el ancho de banda de ruido efectivo del receptor. PASE es la potencia ASE total que ingresa al receptor.
ASE's Impacto en la relación señal-ruido
La relación señal eléctrica/ruido SNRe se define como la relación entre la potencia media de la señal y la potencia del ruido, que determina el rendimiento del receptor óptico. Considerando que la potencia eléctrica es proporcional al cuadrado de la corriente, y combinando lo anterior, podemos calcular la relación señal-ruido eléctrica SNRe del receptor:
Entonces, dado que la señal se amplifica antes de la detección, ¿aumenta o disminuye la relación señal-ruido de SNRe?
Para responder a esta pregunta, comparamos la fórmula anterior con la relación señal-ruido sin amplificador óptico.
(1) Cuando no hay amplificador óptico, es decir, suponiendo G = 1, PASE = 0, entonces la relación señal-ruido es:
Además, considere el caso de un receptor ideal, que no tiene ruido térmico y una eficiencia cuántica del 100%, por lo que Rd = q/hν0. En este caso, la relación señal-ruido sin amplificador es:
(2) Cuando se utiliza un amplificador óptico, la varianza actual está dominada por σ2sig – sp. Es decir, si se ignoran los términos σ2sp – sp y PASE en la fórmula SNRe anterior, se puede encontrar que SNR es:
De hecho, el ruido térmico es mucho mayor que el ruido disperso, por lo que antes de concluir que los amplificadores ópticos siempre reducen el SNRe, se debe tener en cuenta el ruido térmico. Ignorando el ruido disperso en la expresión SNRe (sin OA) anterior y conservando el término dominante σ2sig – sp en la expresión SNRe (OA), encontraremos que la relación señal-ruido eléctrica con y sin OA es:
De la fórmula anterior se puede ver que reducir Ps y aumentar la ganancia del amplificador G puede hacer que esta relación sea bastante grande.
Pero debemos señalar que el ruido del receptor está dominado por σ2sig – sp, que es tan grande que el ruido térmico puede ignorarse, y esta aparente contradicción puede entenderse. En otras palabras, la señal ópticamente amplificada ayuda a enmascarar el ruido térmico, mejorando así la relación señal-ruido. De hecho, si solo mantenemos el término de ruido dominante, la relación señal eléctrica/ruido SNRe de la señal amplificada se convierte en:
Finalmente, lo comparamos con la relación señal-ruido óptica SNRo=GPs/PASE.
Se puede ver en la ecuación anterior que, en las mismas condiciones, la relación señal-ruido eléctrica SNRe es mayor que la relación señal-ruido óptica SNRo en ∆v0/2∆f, porque el ruido ASE solo se genera en el ancho de banda del receptor Δf, y el ancho de banda del receptor es mucho más estrecho que el ancho de banda del filtro Δνo.
Acumulación de ruido in Enlace de amplificador óptico
En la práctica, los sistemas WDM de larga distancia requieren la conexión en cascada de múltiples amplificadores ópticos. La acumulación de ruido de emisión espontánea ASE es el factor más crítico para este tipo de sistemas.
Primero, en el enlace en cascada del amplificador óptico, ASE se acumulará en múltiples amplificadores y reducirá la relación señal-ruido a medida que aumenta el número de amplificadores.
En segundo lugar, a medida que aumenta el nivel de ASE, comienza a saturar el amplificador óptico y a reducir la ganancia del amplificador ubicado aguas abajo del enlace de fibra. Esto eventualmente conduce a una disminución en el nivel de la señal y un aumento en el nivel de ASE.
Además, necesitamos saber que el sistema ópticamente amplificado tiene una función de autorregulación, es decir, la potencia total (Ptotal = Ps + PASE) después de sumar la potencia de la señal Ps y la potencia PASE permanecerá relativamente constante. Por lo tanto, debemos evitar en la medida de lo posible la saturación de ganancia causada por ASE.