3.4.2 Шум-фактор

Шум-фактор NF (Noise Figure) определяется как ухудшение отношения сигнал/шум после прохождения сигнала через оптический усилитель. В этом вопросе часто возникает путаница. Используемое здесь отношение сигнал/шум определяется путем детектирования информационного сигнала, а не через отношение мощностей оптической несущей к сопутствующему излучению ASE, наблюдаемых на анализаторе оптического спектра.

На ухудшение отношения сигнал/шум могут влиять несколько процессов:
• дробовой шум;
• спонтанно-спонтанный шум биений (гетеродинный шум);
• сигнал-спонтанный шум биений (гетеродинный шум);
• интерференционный шум;
• дополнительные шумы (шумы источника)

Первый источник шума – дробовой шум – есть неизбежное проявление дискретной природы света. Он возникает из-за случайных флуктуаций времени прибытия фотонов, составляющих сигнал, или, более точно, из-за флуктуаций количества рождаемых электронов на фотодетекторе. Дробовый шум по своему характеру “белый”, т.е. имеет равномерный спектр. В большинстве приложений поток фотонов N настолько высок, что можно пренебречь флуктуациями порядка N^½ (среднеквадратичный разброс распределения Пуассона).

Между сигналами усиленного спонтанного излучения ASE в полосе частот амплитудно-модулированного сигнала возникает спонтанно-спонтанный шум биений (ASE-ASE шумы биений, называемые иногда гетеродинным шумом), дающий вклад в шумфактор. Так как шумы ASE уменьшаются с увеличением выходной мощности или при приближении к насыщению коэффициента усиления, то этими шумами в усилителях мощности обычно пренебрегают. Однако спонтанно-спонтанный гетеродинный шум в предусилителях без узкополосных фильтров, может оказаться существенным.

Гетеродинный шум возникает при биении двух некоррелированных, сигналов с близкими частотами. В усилителе EDFA каждый частотный интервал излучения ASE (например, шириной в 1 Гц) может взаимодействовать с излучением соседних интервалов, вызывая интерференцию, примерный спектр которой показан на рис. 3.36. Использование узкополосных оптических фильтров позволяет устранить возникновение данного вида шумов для всех приложений.

Рис. 3.36 Образование сигнал-спонтанного гетеродинного шума; серые столбики показывают различные вклады в шумы усиленного спонтанного излучения ASE других соседних шумовых источников излучения ASE

Сигнал-спонтанный гетеродинный шум (ASE-гетеродинный шум) возникает при смешении сигнала гетеродина с существенно белыми шумами излучения ASE. Так как частота биений сигнала с окружающими шумами излучения ASE оказывается внутри полосы частот несущей, промодулированной полезным сигналом, то данные шумы нельзя подавить в сигнале ни оптическим, ни электрическим фильтрами. Поэтому их измерение становится важным и включается в характеристики шум-фактора большинства усилителей EDFA.

Шум-фактор NF (измеряется в дБ), обусловленный сигнал-спонтанным гетеродинным шумом, можно определить по мощности P_ASE на длине волны сигнала λ_c (на рис. 3.37 P_ASE расположено ниже мощности сигнала), коэффициенту усиления G и измеренной ширине полосы B (в герцах) следующим образом:

Так как сигнал-спонтанный гетеродинный шум невозможно отфильтровать в отличие от спонтанно-спонтанного гетеродинного шума, то шум-фактор усилителя обычно определяется на основе этого механизма.

Рис. 3.37 Шум-фактор определяется через измеренную спектральную плотность излучения ASE на пиковой длине волны сигнала

3.4.3 Шумы многолучевой интерференции

Многолучевая интерференция MPI (MultiPath Interference) возникает из-за небольших внутренних отражений в усилителе EDFA, которые могут ухудшить его рабочие характеристики. Из-за большого коэффициента усиления эти отражения могут оказать серьезное и непредсказуемое воздействие (эффект паразитного резонатора), которое и проявляется в спектре относительной интенсивности шума RIN в виде множественных, беспорядочных пиков. Так как на этапе производства усилителей EDFA слишком трудоемко анализировать обратные отражения, возникающих в местах сращивания волокон, соединителях и т.п., то влияние MPI на усилители измеряют уже после их изготовления. Рассмотренные ранее методы определения шум-фактора не подходят для измерения шумов многолучевой интерференции. Для этих целей используют метод вычитания относительной интенсивности шума. Для большинства приложений многолучевая интерференция в усилителях является недопустимой. Шум-фактор MPI оптического усилителя определяется по следующей формуле:

где все величины выражены в дБ, а in SNR и out SNR обозначают отношение сигнал/шум на входе и выходе усилителя. Также предполагается, что при измерении используется узкополосный фильтр на входе приемника.

Идеальный шум-фактор, т.е. минимально возможный коэффициент шума для усилителя с большим коэффициентом усиления, составляет около 3 дБ и достигается при накачке на длине волны 980 нм и полной инверсной заселенности возбужденного энергетического уровня ионов эрбия.