광 전송 시스템에서는 시스템 성능을 평가하기 위해 광 신호 대 잡음비인 OSNR(SNRo)을 사용하는 경우가 많습니다. 그러나 전체 전송 시스템에서 수신기 비트 오류율 및 기타 지표는 전기 신호 대 잡음비(SNRe)와도 관련이 있습니다.
전기 신호 대 잡음비의 개념과 영향은 우리가 접한 문서와 자료에서 덜 논의됩니다. 광증폭기를 통과한 후 증폭된 자연방출잡음(ASE)에 의해 열화되는 광신호와, 광검출기에 입사할 때 발생하는 전류의 전기적 신호 대 잡음비(SNRe)를 살펴보자.
논의의 편의를 위해 위 그림에 표시된 구성을 사용하며, 저전력 신호를 감지하기 전에 이를 증폭하기 위해 수신기 앞에 하나의 광 증폭기를 사용한다고 가정합니다. 이 구성은 때로는 광 증폭을 통해 검출기에 도달하는 광 출력을 높여 감도를 향상시키는 데 사용됩니다.
ASE로 인한 전류 변동
위 그림에서 광 증폭기는 검출기 앞에 배치되어 광섬유 라인으로 인한 손실을 보상하고 수신단의 광 전력을 향상시켜 수신기의 감도를 충족시킬 수 있습니다. 그러나 광 증폭기는 ASE 자연 방출 잡음을 신호에 추가하여 수신기 전류에 추가적인 잡음을 생성합니다.
광파 에너지가 검출기에 의해 수신된 후 광신호를 전기 신호로 변환합니다. 원리는 빛이 반도체 물질에 닿으면 광자가 반도체 물질의 전자와 충돌하여 전도대로 점프하여 정공과 전자 쌍을 형성한다는 것입니다. 이 유효 캐리어 쌍(전자-정공 쌍)은 반도체 내에서 이동하며 외부 바이어스가 적용될 때 광전류를 형성합니다.
증폭기에는 ASE 잡음 생성이 있으므로 신호장 Es에 대한 기여도를 포함하고 수신기에서 생성된 광전류에 대한 공식은 다음과 같이 쓸 수 있습니다.
G는 증폭기 이득이고, i는 샷 노이즈와 열 노이즈로 인한 전류 변동입니다. 동시에 ASE는 ASE 동일 편파 부분 Ecp와 직교 편파 부분 Eop의 두 부분으로 나눌 수 있습니다. 동일 극성 ASE 부분 Ecp만이 신호와 이길 수 있습니다. 샷 노이즈에 대해 간단히 설명하자면, 빛은 이산광자(빛의 입자성)와 투과 시 발생하는 노이즈로 구성되어 있으며 포아송 분포를 따르기 때문에 빛의 세기가 커질수록 포아송 노이즈라고도 합니다. , 평균 소음도 증가합니다.
여기서 ASE로 인해 발생하는 전류 노이즈는 주로 Es와 Ecp의 고동과 ASE 자체의 고동에서 비롯된다는 점을 이해하시기 바랍니다.
이 비팅 현상을 더 잘 이해하려면 ASE가 신호 대역폭 Δνs보다 더 넓은 대역폭에서 발생한다는 점에 유의하세요. ASE 대역폭 Δνo를 각각 Δνs의 대역폭을 갖는 M개의 세그먼트로 나눌 수 있습니다. Ecp를 다음과 같이 작성할 수 있습니다.
여기서 Φm은 주파수 Ωm = Ωl + m(2πΔνs)에서 잡음 성분의 위상이고, Ωl은 필터 통과대역의 하한 경계입니다. 증폭기의 ASE 스펙트럼 밀도는 다음과 같습니다.
추신: Eop의 형식은 Ecp와 동일합니다.
다음 식과 위의 Ecp 표현을 이용하고 모든 박동항을 포함하면,
현재 I를 위 공식으로 대체하면 다음과 같습니다.
여기서 isig – sp 및 isp – sp는 각각 "signal-ASE" 및 "ASE-ASE" 자체 박동으로 인한 전류 변동입니다.
이 두 잡음 전류는 시간에 따라 빠르게 변동하므로 평균과 분산을 알아야 합니다. “signal-ASE” ⟨isig – sp⟩의 전류 변동의 평균은 0으로 도출될 수 있습니다. 그러나 “ASE-ASE” ⟨isp – sp⟩의 전류 변동은 유한한 값을 갖습니다.
또한 두 잡음 전류의 분산은 제곱합과 시간 평균을 통해 계산할 수도 있습니다. 여기에 전류 변동의 총 분산 σ2를 직접 작성합니다.
샷 노이즈 분산 σ2s가 평균으로부터 추가적인 기여를 하는 경우, 즉:
여기서 Δf는 수신기의 유효 잡음 대역폭입니다. PASE는 수신기에 입력되는 총 ASE 전력입니다.
ASE's 신호 대 잡음비에 미치는 영향
전기적 신호 대 잡음비(SNRe)는 평균 신호 전력과 잡음 전력의 비율로 정의되며, 이는 광 수신기의 성능을 결정합니다. 전력이 전류의 제곱에 비례한다는 점을 고려하고 위의 논의를 결합하면 수신기의 전기 신호 대 잡음비 SNRe를 계산할 수 있습니다.
그러면 감지 전에 신호가 증폭되므로 SNRe 신호 대 잡음비는 증가합니까, 감소합니까?
이 질문에 답하기 위해 위 공식을 광 증폭기 없이 신호 대 잡음비와 비교합니다.
(1) 광 증폭기가 없는 경우, 즉 G = 1, PASE = 0이라고 가정하면 신호 대 잡음비는 다음과 같습니다.
또한, 열 잡음이 없고 양자 효율이 100%이므로 Rd = q/hν0인 이상적인 수신기의 경우를 생각해 보세요. 이 경우 증폭기가 없는 신호 대 잡음비는 다음과 같습니다.
(2) 광증폭기를 사용하는 경우 전류 변화는 σ2sig – sp에 의해 지배됩니다. 즉, 위의 SNRe 공식에서 σ2sp – sp 및 PASE 항을 무시하면 SNR은 다음과 같습니다.
실제로 열 잡음은 산란 잡음보다 훨씬 크기 때문에 광 증폭기가 항상 SNRe를 감소시킨다고 결론을 내리기 전에 열 잡음을 고려해야 합니다. 위의 SNRe(OA 없음) 표현식에서 산란된 잡음을 무시하고 SNRe(OA) 표현식에서 주요 항 σ2sig - sp를 유지하면 OA 유무에 따른 전기 신호 대 잡음 비율의 비율은 다음과 같습니다.
위의 공식에서 Ps를 줄이고 증폭기 이득 G를 높이면 이 비율이 상당히 커질 수 있음을 알 수 있습니다.
그러나 수신기 잡음은 σ2sig – sp에 의해 지배되는데, 이는 너무 커서 열 잡음을 무시할 수 있으며 이 명백한 모순을 이해할 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 즉, 광학적으로 증폭된 신호는 열잡음을 차폐하는 데 도움이 되어 신호 대 잡음비를 향상시킵니다. 실제로 지배적인 잡음 항만 유지하면 증폭된 신호의 전기적 신호 대 잡음비 SNRe는 다음과 같습니다.
마지막으로 이를 광 신호 대 잡음비 SNRo=GPs/PASE와 비교합니다.
위의 방정식에서 동일한 조건에서 전기 신호 대 잡음비 SNRe는 광 신호 대 잡음비 SNRo보다 Δv0 /2Δf만큼 높다는 것을 알 수 있습니다. 왜냐하면 ASE 잡음은 다음에서만 생성되기 때문입니다. 수신기 대역폭 Δf, 수신기 대역폭은 필터 대역폭 Δνo보다 훨씬 좁습니다.
소음 축적 in 광 증폭기 링크
실제로 장거리 WDM 시스템에는 계단식 다중 광 증폭기가 필요합니다. 자연 방출 소음 ASE의 축적은 이러한 시스템에서 가장 중요한 요소입니다.
첫째, 광 증폭기 계단식 링크에서 ASE는 여러 증폭기에 누적되고 증폭기 수가 증가함에 따라 신호 대 잡음 비율이 감소합니다.
둘째, ASE 레벨이 증가함에 따라 광 증폭기가 포화되기 시작하고 광섬유 링크의 다운스트림에 위치한 증폭기의 이득이 감소합니다. 이는 결국 신호 레벨의 감소와 ASE 레벨의 증가로 이어집니다.
또한, 광 증폭 시스템에는 자체 조절 기능이 있다는 것을 알아야 합니다. 즉, 신호 전력 Ps와 PASE 전력을 추가한 후의 총 전력(Ptotal = Ps + PASE)은 상대적으로 일정하게 유지됩니다. 그러므로 ASE로 인한 이득 포화를 최대한 피해야 합니다.