27. Волоконно-оптические усилители. Шумовые параметры.

Шумовые параметры. Мощность усиленного спонтанного излучения Р_уси. При отсутствии входного сигнала ВОУ является источником спонтанного излучения. Спектр такого излучения зависит от особенностей энергетических зон атомов эрбия и от статистики распределения заселенности энергетических уровней. Спонтанно возникшие фотоны, распространяясь по активному волокну, усиливаются подобно входному сигналу, т.е. генерируются вторичные фотоны с той же длиной волны, частотой, поляризацией и направлением распространения.

Спектр мощности УСИ, измеренный на выходе ВОУ, показан на рис. 11.8. Мощность УСИ нормируется к единичной полосе и имеет размерность Вт/Гц.

Если на вход ВОУ подается сигнал, то определенная доля энергии, ранее расходовавшаяся на образование спонтанных фотонов, перераспределяется и затрачивается на создание фотонов когерентных с сигнальными. При этом мощность сигнала возрастает, а мощность УСИ снижается, как показано на рис. 11.8.

При подаче на вход ВОУ мультиплексного сигнала происходит дальнейший отбор мощности от УСИ в пользу усиливаемых сигналов. Обычно ВОУ работают в режиме насыщения выходной мощности. Это обеспечивает выравнивание уровней мощности парциальных сигналов, что весьма благоприятно для построения протяженных ВОСП с большим числом каскадно включенных ВОУ. Если лазер в оборудовании передачи генерирует излучение со спектром ширинойf (f = c / ², где с – скорость света в вакууме,  - ширина спектра ИИ) и оптический фильтр в оборудовании приема (перед ПРОМ) пропускает сигнал в таком же спектральном окне, то вклад в мощность шума на выходе вследствие наличия УСИ будет равен Р_усиf = Р_уси. Таким образом, ВОСП будет иметь лучшие шумовые характеристики при ограничении спектра УСИ узкополосным оптическим фильтром.

Мощность УСИ связана с коэффициентом усиления ВОУ К_р соотношением

Р_уси = h(n_сп/)(К_р – 1),

где h – постоянная Планка,  - частота, соответствующая длине волны  = 1530…1560 нм, с – скорость света в вакууме, n_сп - коэффициент спонтанной эмиссии,  - квантовая эффективность. В идеальном случае n_сп =  = 1 при К_р 1

Р_уси /К_р = h,

что соответствует шуму идеального квантового усилителя (ИКУ). Для  = 1550 нм получаем h = hс/ = 1,28 10^-19 Вт/Гц. Размеру спектрального окна оптического анализатора спектра величиной в 0,8 нм соответствует частотное окно в 100 ГГц, что дает значение уровня приведенной к входу мощности УСИ в идеальном случае в 1,28 10^-8 Вт (–48,9 дБм).

Коэффициент шума ВОУ определяется как частное от деления ОСШ на входе (ОСШ_вх) и ОСШ на выходе (ОСШ_вых)

Обычно значение К_ш выражают в дБ: k_ш = 10lgК_ш. Минимальный коэффициент шума равен 1 (0 дБ). Он достигается при n_сп/ = 1 и К_р = 1. Это условие означает, что усилитель вносит минимальный шум, равный шуму ИКУ. Для реальных усилителей минимально возможный k_ш = 10lg2 = 3 дБ, поскольку в излучении присутствуют две ортогональные поляризации, в связи с чем n_сп = 2. Экспериментальные значения k_ш лежат в интервале 4…6 дБ. Зависимость коэффициента шума при различных уровнях выходной (а значит и входной) приведена на рис.11.5, а. В табл. 11.2 приведены требования к основным параметрам ВОУ.