In optischen Übertragungssystemen verwenden wir häufig das optische Signal-Rausch-Verhältnis, OSNR (SNRo), um die Leistung des Systems zu bewerten. Im gesamten Übertragungssystem hängen jedoch auch die Bitfehlerrate des Empfängers und andere Indikatoren mit dem elektrischen Signal-Rausch-Verhältnis (SNRe) zusammen.
Das Konzept und der Einfluss des elektrischen Signal-Rausch-Verhältnisses werden in den Dokumenten und Materialien, auf die wir gestoßen sind, weniger diskutiert. Werfen wir einen Blick auf das optische Signal, das durch das verstärkte spontane Emissionsrauschen ASE nach dem Durchgang durch einen optischen Verstärker beeinträchtigt wird, und auf das elektrische Signal-Rausch-Verhältnis (SNRe) des Stroms, der erzeugt wird, wenn er auf den Fotodetektor trifft.
Der Einfachheit halber verwenden wir die in der Abbildung oben gezeigte Konfiguration und gehen davon aus, dass ein optischer Verstärker vor dem Empfänger verwendet wird, um ihn zu verstärken, bevor ein Signal mit geringer Leistung erkannt wird. Diese Konfiguration wird manchmal verwendet, um die Empfindlichkeit zu verbessern, indem die optische Leistung, die den Detektor erreicht, durch optische Verstärkung erhöht wird.
ASE-induzierte Stromschwankungen
In der Abbildung oben ist der optische Verstärker vor dem Detektor platziert, der den durch die Glasfaserleitung verursachten Verlust kompensieren und die optische Leistung am Empfangsende verbessern kann, um der Empfindlichkeit des Empfängers gerecht zu werden. Allerdings fügt der optische Verstärker dem Signal auch spontanes ASE-Emissionsrauschen hinzu, was zusätzliches Rauschen im Empfängerstrom erzeugt.
Nachdem die optische Wellenenergie vom Detektor empfangen wurde, wandelt er das optische Signal in ein elektrisches Signal um. Das Prinzip besteht darin, dass, wenn Licht auf ein Halbleitermaterial fällt, Photonen mit Elektronen im Halbleitermaterial kollidieren, wodurch diese in das Leitungsband springen und so Loch- und Elektronenpaare bilden. Dieses effektive Trägerpaar (Elektron-Loch-Paar) bewegt sich im Halbleiter und bildet einen Photostrom, wenn eine externe Vorspannung angelegt wird.
Da der Verstärker ASE-Rauschen erzeugt, beziehen wir seinen Beitrag zum Signalfeld Es ein, und die Formel für den vom Empfänger erzeugten Fotostrom kann wie folgt geschrieben werden:
G ist die Verstärkerverstärkung, is und iT sind die durch Schrotrauschen bzw. thermisches Rauschen verursachten Stromschwankungen. Gleichzeitig kann ASE in zwei Teile unterteilt werden, den kopolarisierten ASE-Teil Ecp und den orthogonal polarisierten Teil Eop. Nur der kopolarisierte ASE-Teil Ecp kann mit dem Signal schlagen. Zum Schrotrauschen gibt es hier eine einfache Erklärung, denn Licht besteht aus diskreten Photonen (der Teilchennatur des Lichts) und das bei der Übertragung erzeugte Rauschen folgt einer Poisson-Verteilung und wird auch Poisson-Rauschen genannt, wenn die Lichtintensität zunimmt , nimmt auch der durchschnittliche Lärm zu.
Bitte haben Sie hier Verständnis dafür, dass der aktuelle Lärm, der durch ASE verursacht wird, hauptsächlich von der Verdichtung von Es und Ecp und der Verdichtung von ASE mit sich selbst herrührt.
Um dieses Schwebungsphänomen besser zu verstehen, beachten Sie bitte, dass ASE auf einer größeren Bandbreite als der Signalbandbreite Δνs auftritt. Wir können die ASE-Bandbreite Δνo in M Segmente mit jeweils einer Bandbreite von Δνs unterteilen. Wir können Ecp wie folgt schreiben:
Dabei ist Φm die Phase der Rauschkomponente bei der Frequenz ωm = ωl + m(2πΔνs), ωl ist die untere Grenze des Filterdurchlassbandes. Die ASE-Spektrumsdichte des Verstärkers beträgt:
PS: Die Form von Eop ist die gleiche wie Ecp.
Unter Verwendung der folgenden Formel und des obigen Ausdrucks von Ecp und unter Einbeziehung aller Schwebungsterme,
Ersetzen Sie den Strom I durch die obige Formel:
Dabei sind isig – sp und isp – sp die Stromschwankungen, die durch die Selbstschwingung „signal-ASE“ bzw. „ASE-ASE“ verursacht werden.
Da diese beiden Rauschströme mit der Zeit schnell schwanken, müssen wir ihren Mittelwert und ihre Varianz kennen. Der Mittelwert der aktuellen Schwankung von „Signal-ASE“ ⟨isig – sp⟩ kann als 0 abgeleitet werden. Die aktuelle Schwankung von „ASE-ASE“ ⟨isp – sp⟩ hat jedoch einen endlichen Wert.
Darüber hinaus können durch die Quadratsumme und den zeitlichen Mittelwert auch die Varianzen der beiden Rauschströme berechnet werden. Wir schreiben hier direkt die Gesamtvarianz der aktuellen Fluktuation σ2:
Wobei die Schrotrauschvarianz σ2s einen zusätzlichen Beitrag vom Mittelwert hat, d. h.:
Dabei ist Δf die effektive Rauschbandbreite des Empfängers. PASE ist die gesamte ASE-Leistung, die in den Empfänger gelangt.
ASE's Einfluss auf das Signal-Rausch-Verhältnis
Das elektrische Signal-Rausch-Verhältnis SNRe ist definiert als das Verhältnis der durchschnittlichen Signalleistung zur Rauschleistung, die die Leistung des optischen Empfängers bestimmt. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die elektrische Leistung proportional zum Quadrat des Stroms ist, und der Kombination der obigen Diskussion können wir das elektrische Signal-Rausch-Verhältnis SNRe des Empfängers berechnen:
Wird das SNRe-Signal-Rausch-Verhältnis erhöht oder verringert, da das Signal vor der Erkennung verstärkt wird?
Um diese Frage zu beantworten, vergleichen wir die obige Formel mit dem Signal-Rausch-Verhältnis ohne optischen Verstärker.
(1) Wenn kein optischer Verstärker vorhanden ist, d. h. unter der Annahme G = 1, PASE = 0, dann ist das Signal-Rausch-Verhältnis:
Betrachten Sie außerdem den Fall eines idealen Empfängers, der kein thermisches Rauschen und eine Quanteneffizienz von 100 % aufweist, also Rd = q/hν0. In diesem Fall beträgt das Signal-Rausch-Verhältnis ohne Verstärker:
(2) Bei Verwendung eines optischen Verstärkers wird die Stromvarianz von σ2sig – sp dominiert. Das heißt, ignorieren Sie die Terme σ2sp – sp und PASE in der obigen SNRe-Formel, und Sie können feststellen, dass SNR ist:
Tatsächlich ist das thermische Rauschen viel größer als das Streurauschen. Bevor man also zu dem Schluss kommt, dass optische Verstärker SNRe immer reduzieren, sollte das thermische Rauschen berücksichtigt werden. Wenn wir das Streurauschen im obigen SNRe-Ausdruck (kein OA) ignorieren und den dominanten Term σ2sig – sp im SNRe-Ausdruck (OA) beibehalten, werden wir feststellen, dass das Verhältnis des elektrischen Signal-Rausch-Verhältnisses mit und ohne OA ist:
Aus der obigen Formel ist ersichtlich, dass durch eine Reduzierung von Ps und eine Erhöhung der Verstärkerverstärkung G dieses Verhältnis recht groß werden kann.
Wir sollten jedoch beachten, dass das Empfängerrauschen von σ2sig – sp dominiert wird, was so groß ist, dass thermisches Rauschen ignoriert werden kann und dieser scheinbare Widerspruch verstanden werden kann. Mit anderen Worten: Das optisch verstärkte Signal trägt dazu bei, das thermische Rauschen zu maskieren und dadurch das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Wenn wir nur den dominanten Rauschterm beibehalten, wird das elektrische Signal-Rausch-Verhältnis SNRe des verstärkten Signals tatsächlich zu:
Abschließend vergleichen wir es mit dem optischen Signal-Rausch-Verhältnis SNRo=GPs/PASE.
Aus der obigen Gleichung ist ersichtlich, dass unter den gleichen Bedingungen das elektrische Signal-Rausch-Verhältnis SNRe um ∆v0 /2∆f höher ist als das optische Signal-Rausch-Verhältnis SNRo, da ASE-Rauschen nur auf erzeugt wird die Empfängerbandbreite Δf, und die Empfängerbandbreite ist viel schmaler als die Filterbandbreite Δνo.
Lärmansammlung in Optische Verstärkerverbindung
In der Praxis erfordern WDM-Systeme über große Entfernungen die Kaskadierung mehrerer optischer Verstärker. Die Anhäufung von spontanem Emissionsrauschen (ASE) ist der kritischste Faktor für solche Systeme.
Erstens sammelt sich ASE in der kaskadierten Verbindung mit optischen Verstärkern auf mehreren Verstärkern an und verringert das Signal-Rausch-Verhältnis, wenn die Anzahl der Verstärker zunimmt.
Zweitens beginnt mit zunehmendem ASE-Pegel der optische Verstärker zu sättigen und die Verstärkung des Verstärkers zu verringern, der sich stromabwärts der Glasfaserverbindung befindet. Dies führt schließlich zu einer Abnahme des Signalpegels und einem Anstieg des ASE-Spiegels.
Darüber hinaus müssen wir wissen, dass das optisch verstärkte System eine selbstregulierende Funktion hat, das heißt, die Gesamtleistung (Ptotal = Ps + PASE) nach Addition der Signalleistung Ps und der PASE-Leistung bleibt relativ konstant. Daher sollten wir die durch ASE verursachte Verstärkungssättigung so weit wie möglich vermeiden.