光伝送システムでは、システムのパフォーマンスを評価するために光信号対雑音比 OSNR (SNRo) を使用することがよくあります。 しかし、伝送システム全体では、受信機のビット誤り率やその他の指標も電気信号対雑音比 (SNRe) に関連します。
電気信号対雑音比の概念と影響については、私たちがこれまでに遭遇した文書や資料ではあまり議論されていません。 光アンプを通過した後の増幅自然放出ノイズASEによって劣化した光信号と、光検出器に入射したときに発生する電流の電気信号対雑音比（SNRe）を見てみましょう。
説明の便宜上、上図に示す構成を使用し、受信機の前に XNUMX つの光アンプを使用して、低パワー信号を検出する前に増幅することを想定します。 この構成は、光増幅を通じて検出器に到達する光パワーを増加させることで感度を向上させるために使用されることがあります。
ASEによる電流変動
上の図では、光アンプは検出器の前に配置されており、光ファイバ回線によって生じる損失を補償し、受信機の感度を満たすために受信端での光パワーを向上させることができます。 ただし、光アンプは ASE 自然放出ノイズも信号に追加し、受信機電流に追加のノイズを生成します。
光波エネルギーが検出器によって受信されると、検出器は光信号を電気信号に変換します。 原理は、光が半導体材料に当たると、光子が半導体材料内の電子と衝突し、光子が伝導帯にジャンプし、正孔と電子のペアが形成されるというものです。 この有効キャリア対 (電子と正孔の対) は半導体内を移動し、外部バイアスが印加されると光電流を形成します。
アンプには ASE ノイズが発生するため、信号場 Es への寄与を含めます。受信機によって生成される光電流の式は次のように記述できます。
G はアンプのゲイン、is と iT はそれぞれショット ノイズと熱ノイズによって引き起こされる電流変動です。 同時に、ASE は、ASE 共偏光部分 Ecp と直交偏光部分 Eop の XNUMX つの部分に分割できます。 共偏波された ASE 部分 Ecp だけが信号でビートすることができます。 ショットノイズについて簡単に説明しますと、光は離散光子（光の粒子性）と伝送時に発生するノイズで構成されており、光の強度が大きくなるにつれてポアソン分布に従うためポアソンノイズとも呼ばれます。 、平均ノイズも増加します。
ここで、ASE による電流ノイズは、主に Es と Ecp のビートおよび ASE 自体のビートに起因することをご理解ください。
このうなり現象をよりよく理解するには、ASE が信号帯域幅 Δνs よりも広い帯域幅で発生することに注意してください。 ASE 帯域幅 Δνo を、それぞれの帯域幅 Δνs を持つ M 個のセグメントに分割できます。 Ecp は次のように記述できます。
ここで、Φm は周波数 ωm = ωl + m(2πΔνs) におけるノイズ成分の位相であり、ωl はフィルタ通過帯域の下限です。 アンプの ASE スペクトル密度は次のとおりです。
PS: Eop の形式は Ecp と同じです。
次の式と上記の Ecp の式を使用し、すべての拍動項を含めると、
上の式を現在の I に代入すると、次のようになります。
ここで、 isig – sp および isp – sp は、それぞれ「信号 ASE」および「ASE-ASE」の自己ビートによって引き起こされる電流変動です。
これら 0 つのノイズ電流は時間とともに急速に変動するため、それらの平均と分散を知る必要があります。 「信号-ASE」の電流変動⟨isig – sp⟩の平均はXNUMXとして導出されます。しかし、「ASE-ASE」の電流変動⟨isp – sp⟩は有限の値を持ちます。
さらに、2 つのノイズ電流の分散は二乗和と時間平均によって計算することもできます。 ここで電流変動の合計分散 σXNUMX を直接書きます。
ここで、ショット ノイズ分散 σ2s には平均からの追加の寄与があります。つまり、次のようになります。
ここで、Δf は受信機の実効ノイズ帯域幅です。 PASE は、受信機に入る合計 ASE 電力です。
ASE's 信号対雑音比への影響
電気信号対雑音比 SNRe は、平均信号電力と雑音電力の比として定義され、光受信機の性能を決定します。 電力が電流の二乗に比例することを考慮し、上記の議論を組み合わせると、受信機の電気信号対雑音比 SNRe を計算できます。
では、検出前に信号が増幅されるため、SNRe 信号対雑音比は増加するのでしょうか、それとも減少するのでしょうか?
この質問に答えるために、上の式を光アンプを使用しない場合の S/N 比と比較します。
(1) 光アンプがない場合、つまり G = 1、PASE = 0 と仮定すると、信号対雑音比は次のようになります。
さらに、熱雑音がなく、量子効率が 100% である理想的な受信機の場合を考えてみましょう。したがって、Rd = q/hν0 となります。 この場合、アンプを使用しない場合の信号対雑音比は次のようになります。
(2) 光アンプを使用する場合、電流分散は σ2sig – sp によって支配されます。 つまり、上記の SNRe 式の σ2sp – sp および PASE 項を無視すると、SNR は次のようになります。
実際、熱雑音は散乱雑音よりはるかに大きいため、光増幅器が常に SNRe を低減すると結論付ける前に、熱雑音を考慮する必要があります。 上記の SNRe (OA なし) 式の散乱ノイズを無視し、SNRe (OA) 式の支配項 σ2sig – sp を維持すると、OA ありとなしの電気信号対ノイズ比の比は次のようになります。
上の式から、Ps を減らしてアンプのゲイン G を増やすと、この比率が非常に大きくなる可能性があることがわかります。
ただし、受信機ノイズは σ2sig – sp によって支配されており、これは熱ノイズを無視できるほど大きいため、この明らかな矛盾は理解できることに注意する必要があります。 言い換えれば、光増幅された信号は熱雑音をマスクするのに役立ち、それによって信号対雑音比が改善されます。 実際、支配的なノイズ項のみを維持する場合、増幅された信号の電気信号対ノイズ比 SNRe は次のようになります。
最後に、光信号対雑音比 SNRo=GPs/PASE と比較します。
上式から、同じ条件下では、ASE ノイズはオンでのみ発生するため、電気信号対ノイズ比 SNRe は光信号対ノイズ比 SNRo よりもΔv0 /2Δf だけ高いことがわかります。受信機帯域幅 Δf であり、受信機帯域幅はフィルタ帯域幅 Δνo よりもはるかに狭いです。
ノイズの蓄積 in 光アンプリンク
実際には、長距離 WDM システムには複数の光増幅器をカスケード接続する必要があります。 自然放出ノイズ ASE の蓄積は、このようなシステムにとって最も重要な要因です。
まず、光アンプのカスケード リンクでは、ASE が複数のアンプに蓄積され、アンプの数が増加するにつれて S/N 比が低下します。
第 XNUMX に、ASE レベルが増加すると、光アンプが飽和し始め、ファイバ リンクの下流にあるアンプのゲインが低下します。 これにより、最終的に信号レベルが低下し、ASE レベルが増加します。
さらに、光増幅システムには自己調整機能があること、つまり、信号パワー Ps と PASE パワーを加算した後の総パワー (Ptotal = Ps + PASE) は比較的一定に保たれることを知っておく必要があります。 したがって、ASE によるゲインの飽和は可能な限り回避する必要があります。