Шумы в оптических линейных трактах

Как уже отмечалось, прохождение цифрового оптического сигнала по ОЛТ сопровождается появлением ошибок.

Главными причинами их возникновения являются шумы оборудования ОЛТ, дисперсионные явления в ОВ, межсимвольные помехи и сбои в работе устройств тактовой синхронизации линейных и станционных регенераторов.

Шумы ОЛТ складываются из шумов источников оптического излучения передающих модулей, фотодетекторов, усилителей, устройств коррекции и фильтрации приемных оптических модулей, а также шумов, обусловленных прохождением сигналов оптического излучения по ОВ.

Если источником оптического излучения ПОМ является полупроводниковый ЛД, то различают:

Квантовые шумы,обусловленные флуктуациями интенсивности излучения и имеющие наибольшие значения чуть выше порогового значения тока инжекции (накачки). Эти шумы резко возрастают вблизи порога генерации ЛД и затем уменьшаются с ростом тока инжекции. При значительном превышении порога генерации в ЛД обычно возбуждаются дополнительные лазерные моды, что ведет к увеличению квантовых шумов. Последние тем меньше, чем плавнее переход от неизлучающего состояния ЛД к состоянию генерации.

Физическая природа квантовых шумов близка природе дробовых шумов, обусловленных флуктуациями тока инжекции. Их можно ослабить, ограничив ширину полосы частот тока накачки или применив отрицательную обратную связь по передаваемому оптическому сигналу.

Шумы токораспределения,которые обусловлены взаимодействием различных излучающих мод ЛД и отсутствуют, если ЛД генерирует только в одномодовом продольном режиме. Иногда из шумов токораспределения выделяют шумы, обусловленные перескоком мод, возникающим в моменты, когда продольная мода перескакивает на следующую, что сопровождается обменом энергией между парами мод при перескоке.

Количественно квантовые шумы и шумы токораспределения можно оценить относительной интенсивностью шума

,

где Р - средняя мощность оптического излучения; ΔР - флуктуации мощности излучения, вызванные появлением квантовых шумов и шумов токораспределения; В - скорость передачи информации, бит/с, или ширина полосы частот ОЛТ.

Шумы из-за взаимодействия источника излучения и ОВ, возникающие в месте стыка ЛД и торца ОВ. Световой поток, отраженный на стыке ЛД и ОВ, возвращается внутрь ЛД и вызывает шумы отражения, обусловленные, появлением дополнительных мод, огибающая спектра которых значительно шире спектра излучения без отражения. Относительная интенсивность шума достигает значения J_ш=10^-11, что значительно выше квантовых шумов и шумов токораспределения.

Снижение шумов отражения может быть достигнуто применением специальных развязывающих устройств - оптических соединителей, преобразующих диаграмму направленности источника излучения так, чтобы ее форма была максимально подобна апертуре ОВ, а также использованием ЛД с управляемым усилением, малочувствительных к изменениям температуры, тока инжекции и величины отраженного светового потока.

Для ПОМ на основе СИД основными видами шумов являются:

дробовые шумы, обусловленные прохождением тока инжекции через слои различной проводимости, отражением света внутри прибора от металлизированных поверхностей его наружных граней и т. д. и связанными с этим флуктуациями интенсивности светового излучения, вызванными случайным характером диффузии носителей, их генерацией и рекомбинацией;

низкочастотные, или контактные шумы, вызванные флуктуациями проводимости слоев полупроводников различного типа, образующих СИД, их неоднородностью и несовершенством контактов между ними.

Шумы СИД пропорциональны ширине полосы частот, определяемой током инжекции, и обратно пропорциональны спектральной ширине и числу мод, распространяющихся в ОВ, и в большинстве случаев довольно малы.

Источники шумов ОЛТ определяются в основном шумами элементов ПРОМ, регенерационных и оконечных пунктов (рис. 20.5).

Р_ос - мощность оптического сигнала, поступившего на вход фотодетектора (ФДет), преобразующего оптический сигнал в электрический; Р_ош - мощность шумов (шумы источников оптического излучения, шумы фонового излучения и тепловые шумы среды распределения), поступающих на вход ПРОМ- i_Ф - фототок обусловленный преобразованием мощности полезного сигнала Р_ос в сигнал электрический; i_др - ток дробовых шумов ФД; i_т - шумы темнового тока, ограничивающие чувствительность ФД и возникающие независимо от внешнего, оптического сигнала из-за случайной тепловой генерации рекомбинации носителей или под воздействием фонового излучения, не связанного с полезным сигналом; i_f - низкочастотный избыточный шум, природа которого аналогична природе шумов источника излучения; i_сш - собственные (тепловые) шумы электронных схем ПРОМ; УФТ - усилитель фототока; УКФ - устройство коррекции АЧХ и фильтрации; ЛУс - линейный усилитель; i_с, i_ш - соответственно ток полезного сигнала и суммарный шумовой ток на входе регенерационного устройства (РУ).

Среднеквадратическое значение фототока:

, (20.1)

где q - заряд электрона; h - постоянная Планка; f - частота оптического излучения; η - квантовая чувствительность фотодетектора; М - коэффициент лавинного умножения ЛФД (M=1 для р-i-n ФД); S - чувствительность ФД на соответствующей рабочей длине волны оптического излучения.

Среднеквадратическое значение тока дробовых шумов (дробовый шум) ФД определяется выражением:

, (20.2)

где F(М) - коэффициент шума лавинного умножения, учитывающий увеличение дробовых шумов ЛФД из-за нерегулярного характера процесса умножения.Для большинства ЛФД с достаточной для практических расчетов точностью F(М) аппроксимируется степенным законом , где 0,4≤х≤1 (для германиевых ЛФД х= 1, для кремниевых х = 0,5).

Среднеквадратическое значение темнового тока

. (20.3)

Здесь - среднее значение темнового тока; для кремниевых р-i-n ФД =(1...8)∙10^-9 А, а для германиевых - на два порядка выше. Темновые токи растут с увеличением температуры. Темновой ток является одним из естественных ограничителей минимально детектируемой мощности (МДМ) оптического излучения:

.

Темновой ток зависит от материала ФД, от температуры, скорости передачи (ширины полосы пропускания) и ограничивает чувствительность ФД. Зависимость темнового тока от скорости передачи представлена на рис. 18.2.

Значение суммарных тепловых шумов, на входе РУ определяется уравнением

.

Среднеквадратическое значение тока собственных шумов электронных схем ПРОМ можно определить по формуле:

,

где k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура, B - ширина полосы пропускания тракта, R_н - эквивалентное сопротивление нагрузки. Для реальных значений I_т сопротивление R_н ≥5...50 МОм.

Кроме того, прохождение оптического сигнала сопровождается шумами среды распространения, которые включают в себя шумы фонового излучения и тепловые шумы. Эти шумы можно оценить, рассматривая шумы излучения абсолютно черного тела. При оценке шумов среды распространения необходимо учесть и квантовые шумы.

Мощность шумов среды распространения на входе идеального ПРОМ может быть рассчитана по формуле:

.

Шумы, воздействуя на оптический сигнал, порождают ошибки, интегральной оценкой которых является, как известно, вероятность ошибки.