Em sistemas de transmissão óptica, frequentemente usamos a relação sinal-ruído óptico, OSNR (SNRo) para avaliar o desempenho do sistema. Mas em todo o sistema de transmissão, a taxa de erro de bit do receptor e outros indicadores também estão relacionados à relação sinal-ruído elétrico (SNRe).
O conceito e a influência da relação sinal-ruído elétrico são menos discutidos nos documentos e materiais que encontramos. Vejamos o sinal óptico degradado pelo ruído de emissão espontânea amplificado ASE após passar por um amplificador óptico, e a relação sinal-ruído elétrico (SNRe) da corrente gerada quando incide no fotodetector.
Para conveniência da discussão, usamos a configuração mostrada na figura acima e assumimos que um amplificador óptico é usado antes do receptor para amplificá-lo antes de detectar um sinal de baixa potência. Esta configuração é por vezes utilizada para melhorar a sensibilidade, aumentando a potência óptica que chega ao detector através de amplificação óptica.
Flutuações de corrente induzidas por ASE
Na figura acima, o amplificador óptico é colocado antes do detector, o que pode compensar a perda causada pela linha de fibra óptica e melhorar a potência óptica na extremidade receptora para atender à sensibilidade do receptor. Porém, o amplificador óptico também adiciona ruído de emissão espontânea ASE ao sinal, o que gera ruído adicional na corrente do receptor.
Depois que a energia das ondas ópticas é recebida pelo detector, ele converte o sinal óptico em um sinal elétrico. O princípio é que quando a luz incide sobre um material semicondutor, os fótons colidirão com os elétrons do material semicondutor, fazendo-os saltar para a banda de condução, formando assim pares de buracos e elétrons. Este par portador efetivo (par elétron-buraco) se moverá no semicondutor e formará uma fotocorrente quando uma polarização externa for aplicada.
Como o amplificador possui geração de ruído ASE, incluímos sua contribuição para o campo de sinal Es, e a fórmula para a fotocorrente gerada pelo receptor pode ser escrita como:
G é o ganho do amplificador, is e iT são as flutuações de corrente causadas pelo ruído de disparo e pelo ruído térmico, respectivamente. Ao mesmo tempo, o ASE pode ser dividido em duas partes, a parte co-polarizada ASE Ecp e a parte polarizada ortogonal Eop. Somente a parte ASE co-polarizada Ecp pode bater com o sinal. Em relação ao ruído de tiro, aqui vai uma explicação simples, pois a luz é composta por fótons discretos (a natureza particulada da luz) e o ruído gerado durante a transmissão, por seguir uma distribuição de Poisson, também é chamado de Ruído de Poisson, à medida que a intensidade da luz aumenta , o ruído médio também aumenta.
Aqui, por favor, entenda que o ruído atual causado pelo ASE se origina principalmente do batimento de Es e Ecp e do batimento do ASE consigo mesmo.
Para entender melhor esse fenômeno de batimento, observe que o ASE ocorre em uma largura de banda maior do que a largura de banda do sinal Δνs. Podemos dividir a largura de banda do ASE Δνo em M segmentos, cada um com uma largura de banda de Δνs. Podemos escrever Ecp da seguinte forma:
Onde Φm é a fase do componente de ruído na frequência ωm = ωl + m(2πΔνs), ωl é o limite inferior da banda passante do filtro. A densidade do espectro ASE do amplificador é:
PS: A forma do Eop é igual à do Ecp.
Usando a seguinte fórmula e a expressão acima de Ecp e incluindo todos os termos de batimento,
Substituindo a fórmula acima pelo I atual:
Onde, isig – sp e isp – sp são as flutuações de corrente causadas pela auto-batimento “sinal-ASE” e “ASE-ASE”, respectivamente.
Como essas duas correntes de ruído flutuam rapidamente com o tempo, precisamos conhecer sua média e variância. A média da flutuação atual do “sinal-ASE” ⟨isig – sp⟩ pode ser derivada como 0. No entanto, a flutuação atual do “ASE-ASE” ⟨isp – sp⟩ tem um valor finito.
Além disso, as variâncias das duas correntes de ruído também podem ser calculadas pela soma quadrada e pela média temporal. Escrevemos aqui diretamente a variância total da flutuação atual σ2:
Onde a variância do ruído de disparo σ2s tem uma contribuição adicional da média, ou seja:
Onde, Δf é a largura de banda efetiva de ruído do receptor. PASE é a potência ASE total que entra no receptor.
ASE,s Impacto na relação sinal-ruído
A relação sinal-ruído elétrico SNRe é definida como a razão entre a potência média do sinal e a potência do ruído, que determina o desempenho do receptor óptico. Considerando que a potência elétrica é proporcional ao quadrado da corrente, e combinando a discussão acima, podemos calcular a relação sinal-ruído elétrico SNRe do receptor:
Então, como o sinal é amplificado antes da detecção, a relação sinal-ruído SNRe é aumentada ou diminuída?
Para responder a esta questão, comparamos a fórmula acima com a relação sinal-ruído sem amplificador óptico.
(1) Quando não há amplificador óptico, ou seja, assumindo G = 1, PASE = 0, então a relação sinal-ruído é:
Além disso, considere o caso de um receptor ideal, que não possui ruído térmico e tem uma eficiência quântica de 100%, então Rd = q/hν0. Neste caso, a relação sinal-ruído sem amplificador é:
(2) Ao usar um amplificador óptico, a variância da corrente é dominada por σ2sig – sp. Ou seja, ignore os termos σ2sp – sp e PASE na fórmula SNRe acima, e pode-se descobrir que SNR é:
Na verdade, o ruído térmico é muito maior que o ruído disperso, portanto, antes de concluir que os amplificadores ópticos sempre reduzem o SNRe, o ruído térmico deve ser levado em consideração. Ignorando o ruído espalhado na expressão SNRe (sem OA) acima e mantendo o termo dominante σ2sig – sp na expressão SNRe (OA), descobriremos que a relação sinal-ruído elétrico com e sem OA é:
Pode-se ver pela fórmula acima que reduzir Ps e aumentar o ganho do amplificador G pode tornar essa relação bastante grande.
Mas devemos notar que o ruído do receptor é dominado por σ2sig – sp, que é tão grande que o ruído térmico pode ser ignorado, e esta aparente contradição pode ser compreendida. Em outras palavras, o sinal amplificado opticamente ajuda a mascarar o ruído térmico, melhorando assim a relação sinal-ruído. Na verdade, se mantivermos apenas o termo de ruído dominante, a relação sinal-ruído elétrico SNRe do sinal amplificado torna-se:
Finalmente, comparamos com a relação sinal-ruído óptica SNRo=GPs/PASE.
Pode ser visto a partir da equação acima que, nas mesmas condições, a relação sinal-ruído elétrico SNRe é maior do que a relação sinal-ruído óptico SNRo em ∆v0 /2∆f, porque o ruído ASE só é gerado em a largura de banda do receptor Δf, e a largura de banda do receptor é muito mais estreita que a largura de banda do filtro Δνo.
Acúmulo de ruído in Link de amplificador óptico
Na prática, os sistemas WDM de longa distância requerem múltiplos amplificadores ópticos em cascata. O acúmulo de ruído de emissão espontânea ASE é o fator mais crítico para tais sistemas.
Primeiro, no link em cascata do amplificador óptico, o ASE se acumulará em vários amplificadores e reduzirá a relação sinal-ruído à medida que o número de amplificadores aumentar.
Em segundo lugar, à medida que o nível de ASE aumenta, ele começa a saturar o amplificador óptico e a reduzir o ganho do amplificador localizado a jusante do link de fibra. Isto eventualmente leva a uma diminuição no nível do sinal e a um aumento no nível de ASE.
Além disso, precisamos saber que o sistema opticamente amplificado possui função autorreguladora, ou seja, a potência total (Ptotal = Ps + PASE) após somar a potência do sinal Ps e a potência PASE permanecerá relativamente constante. Portanto, devemos evitar ao máximo a saturação de ganho causada pelo ASE.