Dans les systèmes de transmission optique, nous utilisons souvent le rapport signal/bruit optique, OSNR (SNRo) pour évaluer les performances du système. Mais dans l’ensemble du système de transmission, le taux d’erreur sur les bits du récepteur et d’autres indicateurs sont également liés au rapport signal/bruit électrique (SNRe).
Le concept et l’influence du rapport signal/bruit électrique sont moins abordés dans les documents et matériaux que nous avons rencontrés. Jetons un coup d'œil au signal optique dégradé par le bruit d'émission spontanée amplifié ASE après passage dans un amplificateur optique, et au rapport signal sur bruit électrique (SNRe) du courant généré lorsqu'il arrive sur le photodétecteur.
Pour faciliter la discussion, nous utilisons la configuration présentée dans la figure ci-dessus et supposons qu'un amplificateur optique est utilisé avant le récepteur pour l'amplifier avant de détecter un signal de faible puissance. Cette configuration est parfois utilisée pour améliorer la sensibilité en augmentant la puissance optique atteignant le détecteur grâce à une amplification optique.
Fluctuations de courant induites par l'ASE
Dans la figure ci-dessus, l'amplificateur optique est placé avant le détecteur, ce qui peut compenser la perte causée par la ligne de fibre optique et améliorer la puissance optique à l'extrémité de réception pour répondre à la sensibilité du récepteur. Cependant, l'amplificateur optique ajoute également au signal un bruit d'émission spontanée ASE, ce qui génère un bruit supplémentaire dans le courant du récepteur.
Une fois l’énergie de l’onde optique reçue par le détecteur, celui-ci convertit le signal optique en signal électrique. Le principe est que lorsque la lumière éclaire un matériau semi-conducteur, les photons entrent en collision avec les électrons du matériau semi-conducteur, les faisant sauter vers la bande de conduction, formant ainsi des paires de trous et d'électrons. Cette paire de porteurs efficaces (paire électron-trou) se déplacera dans le semi-conducteur et formera un photocourant lorsqu'une polarisation externe est appliquée.
Puisque l'amplificateur génère du bruit ASE, nous incluons sa contribution au champ de signal Es, et la formule du photocourant généré par le récepteur peut s'écrire comme suit :
G est le gain de l'amplificateur, is et iT sont les fluctuations de courant provoquées respectivement par le bruit de tir et le bruit thermique. Dans le même temps, ASE peut être divisé en deux parties, la partie co-polarisée ASE Ecp et la partie polarisée orthogonale Eop. Seule la partie ASE co-polarisée Ecp peut battre avec le signal. Concernant le bruit de tir, voici une explication simple, car la lumière est composée de photons discrets (la nature particulaire de la lumière) et le bruit généré lors de la transmission, car il suit une distribution de Poisson, on l'appelle aussi bruit de Poisson, à mesure que l'intensité lumineuse augmente. , le bruit moyen augmente également.
Ici, veuillez comprendre que le bruit actuel provoqué par l'ASE provient principalement des battements de Es et Ecp et des battements de l'ASE avec lui-même.
Pour mieux comprendre ce phénomène de battement, veuillez noter que l'ASE se produit sur une bande passante plus large que la bande passante du signal Δνs. Nous pouvons diviser la bande passante ASE Δνo en M segments, chacun avec une bande passante de Δνs. On peut écrire Ecp comme suit :
Où Φm est la phase de la composante de bruit à la fréquence ωm = ωl + m(2πΔνs), ωl est la limite inférieure de la bande passante du filtre. La densité spectrale ASE de l’amplificateur est :
PS : La forme d’Eop est la même que celle d’Ecp.
En utilisant la formule suivante et l'expression ci-dessus de Ecp et en incluant tous les termes battants,
En remplaçant la formule ci-dessus par le courant I :
Où isig – sp et isp – sp sont les fluctuations de courant provoquées respectivement par l'auto-battement « signal-ASE » et « ASE-ASE ».
Puisque ces deux courants de bruit fluctuent rapidement avec le temps, nous devons connaître leur moyenne et leur variance. La moyenne de la fluctuation actuelle de « signal-ASE » ⟨isig – sp⟩ peut être dérivée comme 0. Cependant, la fluctuation actuelle de « ASE-ASE » ⟨isp – sp⟩ a une valeur finie.
De plus, les variances des deux courants de bruit peuvent également être calculées par la somme carrée et la moyenne temporelle. On écrit ici directement la variance totale de la fluctuation du courant σ2 :
Où la variance du bruit de tir σ2s a une contribution supplémentaire de la moyenne, c'est-à-dire :
Où Δf est la bande passante de bruit effective du récepteur. PASE est la puissance ASE totale entrant dans le récepteur.
ASE»s Impact sur le rapport signal/bruit
Le rapport signal/bruit électrique SNRe est défini comme le rapport entre la puissance moyenne du signal et la puissance du bruit, qui détermine les performances du récepteur optique. En considérant que la puissance électrique est proportionnelle au carré du courant, et en combinant la discussion ci-dessus, nous pouvons calculer le rapport signal/bruit électrique SNRe du récepteur :
Ainsi, puisque le signal est amplifié avant la détection, le rapport signal/bruit SNRe est-il augmenté ou diminué ?
Pour répondre à cette question, nous comparons la formule ci-dessus avec le rapport signal sur bruit sans amplificateur optique.
(1) Lorsqu’il n’y a pas d’amplificateur optique, c’est-à-dire en supposant G = 1, PASE = 0, alors le rapport signal sur bruit est :
De plus, considérons le cas d'un récepteur idéal, qui n'a pas de bruit thermique et un rendement quantique de 100 %, donc Rd = q/hν0. Dans ce cas, le rapport signal sur bruit sans amplificateur est :
(2) Lors de l'utilisation d'un amplificateur optique, la variance du courant est dominée par σ2sig – sp. Autrement dit, ignorez les termes σ2sp – sp et PASE dans la formule SNRe ci-dessus, et on peut constater que le SNR est :
En fait, le bruit thermique est bien plus important que le bruit diffusé, donc avant de conclure que les amplificateurs optiques réduisent toujours le SNRe, il convient de prendre en compte le bruit thermique. En ignorant le bruit diffusé dans l'expression SNRe (pas d'OA) ci-dessus et en conservant le terme dominant σ2sig – sp dans l'expression SNRe (OA), nous constaterons que le rapport signal électrique sur bruit avec et sans OA est :
La formule ci-dessus montre que la réduction de Ps et l'augmentation du gain de l'amplificateur G peuvent rendre ce rapport assez élevé.
Mais il faut noter que le bruit du récepteur est dominé par σ2sig – sp, qui est si grand que le bruit thermique peut être ignoré, et cette apparente contradiction peut être comprise. En d’autres termes, le signal optiquement amplifié permet de masquer le bruit thermique, améliorant ainsi le rapport signal sur bruit. En fait, si l'on ne garde que le terme de bruit dominant, le rapport signal sur bruit électrique SNRe du signal amplifié devient :
Enfin, nous le comparons au rapport signal/bruit optique SNRo=GPs/PASE.
Il ressort de l'équation ci-dessus que dans les mêmes conditions, le rapport signal/bruit électrique SNRe est supérieur au rapport signal/bruit optique SNRo de ∆v0 /2∆f, car le bruit ASE n'est généré que sur la bande passante du récepteur Δf, et la bande passante du récepteur est beaucoup plus étroite que la bande passante du filtre Δνo.
Accumulation de bruit in Lien d'amplificateur optique
En pratique, les systèmes WDM longue distance nécessitent la mise en cascade de plusieurs amplificateurs optiques. L'accumulation de bruit d'émission spontanée ASE est le facteur le plus critique pour de tels systèmes.
Premièrement, dans la liaison en cascade de l'amplificateur optique, l'ASE s'accumulera sur plusieurs amplificateurs et réduira le rapport signal/bruit à mesure que le nombre d'amplificateurs augmente.
Deuxièmement, à mesure que le niveau ASE augmente, il commence à saturer l'amplificateur optique et à réduire le gain de l'amplificateur situé en aval de la liaison fibre. Cela conduit finalement à une diminution du niveau du signal et à une augmentation du niveau ASE.
De plus, nous devons savoir que le système optiquement amplifié a une fonction d'autorégulation, c'est-à-dire que la puissance totale (Ptotal = Ps + PASE) après avoir ajouté la puissance du signal Ps et la puissance PASE restera relativement constante. Par conséquent, nous devons éviter autant que possible la saturation du gain causée par l’ASE.