В системах оптической передачи мы часто используем соотношение оптического сигнала к шуму OSNR (SNRo) для оценки производительности системы. Но во всей системе передачи частота ошибок по битам приемника и другие показатели также связаны с электрическим отношением сигнал/шум (SNRe).
Понятие и влияние электрического отношения сигнал/шум менее обсуждаются в документах и материалах, с которыми мы столкнулись. Давайте посмотрим на оптический сигнал, ухудшенный усиленным шумом спонтанного излучения ASE после прохождения через оптический усилитель, и на отношение электрического сигнала к шуму (SNRe) тока, генерируемого при его попадании на фотодетектор.
Для удобства обсуждения мы используем конфигурацию, показанную на рисунке выше, и предполагаем, что перед приемником используется один оптический усилитель для его усиления перед обнаружением маломощного сигнала. Эта конфигурация иногда используется для улучшения чувствительности за счет увеличения оптической мощности, достигающей детектора за счет оптического усиления.
Колебания тока, вызванные ASE
На рисунке выше оптический усилитель расположен перед детектором, что может компенсировать потери, вызванные оптоволоконной линией, и улучшить оптическую мощность на приемном конце, чтобы обеспечить чувствительность приемника. Однако оптический усилитель также добавляет к сигналу шум спонтанного излучения ASE, который генерирует дополнительный шум в токе приемника.
После того, как энергия оптической волны получена детектором, он преобразует оптический сигнал в электрический сигнал. Принцип заключается в том, что когда свет падает на полупроводниковый материал, фотоны сталкиваются с электронами в полупроводниковом материале, заставляя их перепрыгивать в зону проводимости, образуя таким образом пары дырок и электронов. Эта эффективная пара носителей (пара электрон-дырка) будет двигаться в полупроводнике и формировать фототок при приложении внешнего смещения.
Поскольку усилитель имеет генерацию шума ASE, учтем его вклад в поле сигнала Es, и формулу для фототока, генерируемого приемником, можно записать в виде:
G — коэффициент усиления усилителя, is и iT — флуктуации тока, вызванные дробовым шумом и тепловым шумом соответственно. В то же время ASE можно разделить на две части: сополяризованную часть Ecp ASE и ортогонально поляризованную часть Eop. Только сополяризованная часть Ecp ASE может биться вместе с сигналом. Что касается дробового шума, вот простое объяснение, поскольку свет состоит из дискретных фотонов (частичная природа света) и шума, генерируемого во время передачи, поскольку он следует распределению Пуассона, его также называют шумом Пуассона, поскольку интенсивность света увеличивается. , средний шум также увеличивается.
Здесь, пожалуйста, поймите, что текущий шум, вызванный ASE, в основном возникает из-за биения Es и Ecp, а также биения ASE самого себя.
Чтобы лучше понять это явление биений, обратите внимание, что ASE возникает в более широкой полосе пропускания, чем полоса пропускания сигнала Δνs. Мы можем разделить полосу пропускания ASE Δνo на M сегментов, каждый из которых имеет полосу пропускания Δνs. Мы можем написать Ecp следующим образом:
Где Φm — фаза составляющей шума на частоте ωm = ωl + m(2πΔνs), ωl — нижняя граница полосы пропускания фильтра. Спектральная плотность ASE усилителя равна:
PS: Форма Eop такая же, как Ecp.
Используя следующую формулу и приведенное выше выражение Ecp и включая все члены биений,
Подставив приведенную выше формулу для тока I:
Где isig – sp и isp – sp – колебания тока, вызванные самобиением «сигнал-ASE» и «ASE-ASE» соответственно.
Поскольку эти два шумовых тока быстро колеблются со временем, нам необходимо знать их среднее значение и дисперсию. Среднее значение текущего колебания «сигнал-ASE» ⟨isig – sp⟩ может быть получено как 0. Однако текущее колебание «ASE-ASE» ⟨isp – sp⟩ имеет конечное значение.
Кроме того, дисперсии двух шумовых токов также можно рассчитать по сумме квадратов и среднему времени. Запишем здесь непосредственно полную дисперсию текущего колебания σ2:
Где дисперсия дробового шума σ2s имеет дополнительный вклад от среднего значения, а именно:
Где Δf — эффективная полоса пропускания шума приемника. PASE — общая мощность ASE, поступающая в приемник.
ASE"Влияние на соотношение сигнал/шум
Отношение электрического сигнала к шуму SNRe определяется как отношение средней мощности сигнала к мощности шума, которое определяет характеристики оптического приемника. Учитывая, что электрическая мощность пропорциональна квадрату тока, и объединяя приведенное выше обсуждение, мы можем вычислить отношение электрического сигнала к шуму SNRe приемника:
Итак, поскольку сигнал усиливается перед обнаружением, увеличивается или уменьшается отношение сигнал/шум SNRe?
Чтобы ответить на этот вопрос, сравним приведенную выше формулу с отношением сигнал/шум без оптического усилителя.
(1) При отсутствии оптического усилителя, т. е. если предположить G = 1, PASE = 0, то отношение сигнал/шум равно:
Кроме того, рассмотрим случай идеального приемника, у которого нет теплового шума и квантовая эффективность 100 %, поэтому Rd = q/hν0. В этом случае отношение сигнал/шум без усилителя равно:
(2) При использовании оптического усилителя в дисперсии тока преобладает σ2sig – sp. То есть игнорируйте члены σ2sp – sp и PASE в приведенной выше формуле SNRe, и можно обнаружить, что SNR равно:
На самом деле тепловой шум намного больше, чем рассеянный шум, поэтому, прежде чем сделать вывод, что оптические усилители всегда уменьшают SNRe, следует принять во внимание тепловой шум. Игнорируя рассеянный шум в приведенном выше выражении SNRe (без ОА) и сохраняя доминирующий член σ2sig – sp в выражении SNRe (ОА), мы обнаружим, что отношение электрического сигнала к шуму с ОА и без него равно:
Из приведенной выше формулы видно, что уменьшение Ps и увеличение коэффициента усиления усилителя G могут сделать это соотношение довольно большим.
Но следует отметить, что в шуме приемника преобладает σ2sig – sp, который настолько велик, что тепловым шумом можно пренебречь, и это кажущееся противоречие можно понять. Другими словами, оптически усиленный сигнал помогает маскировать тепловой шум, тем самым улучшая соотношение сигнал/шум. Фактически, если мы сохраним только доминирующий шумовой член, отношение электрического сигнала к шуму SNRe усиленного сигнала станет:
Наконец, мы сравниваем его с оптическим отношением сигнал/шум SNRo=GPs/PASE.
Из приведенного выше уравнения видно, что при тех же условиях электрическое отношение сигнал/шум SNRe превышает оптическое отношение сигнал/шум SNRo на ∆v0/2∆f, поскольку шум ASE генерируется только на полоса пропускания приемника Δf, причем полоса пропускания приемника намного уже полосы пропускания фильтра Δνo.
Накопление шума in Связь с оптическим усилителем
На практике системы WDM на большие расстояния требуют каскадного подключения нескольких оптических усилителей. Накопление спонтанного эмиссионного шума ASE является наиболее критичным фактором для таких систем.
Во-первых, в каскадном соединении оптического усилителя ASE будет накапливаться на нескольких усилителях и уменьшать соотношение сигнал/шум по мере увеличения количества усилителей.
Во-вторых, по мере увеличения уровня ASE он начинает насыщать оптический усилитель и снижать коэффициент усиления усилителя, расположенного после оптоволоконной линии. В конечном итоге это приводит к снижению уровня сигнала и увеличению уровня ASE.
Кроме того, нам необходимо знать, что оптически усиливающая система имеет функцию саморегулирования, то есть полная мощность (Ptotal = Ps + PASE) после сложения мощности сигнала Ps и мощности PASE останется относительно постоянной. Поэтому нам следует максимально избегать насыщения усиления, вызванного ASE.