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amplificatori ottici e rivelazione coerente: due tecniche a confronto, vantaggi e svantaggi

La rimozione delle componenti di rumore di origine elettrica nel rapporto segnale/rumore si può ottenere con l’ausilio degli amplificatori ottici e della rivelazione coerente: si confrontino le due tecniche spiegando vantaggi e svantaggi.


La rivelazione coerente è una tecnica di rivelazione che consiste nel miscelare il campo segnale con un campo locale, prima di effettuare la vera e propria rivelazione. Tale campo locale è generato da una sorgente ordinata di luce (tipicamente un laser) e pertanto si può supporre che abbia un alta potenza Pl (rispetto a quella del segnale Ps) e alta coerenza. A lezione abbiamo inoltre supposto 3 precondizioni: allineamento tra i vettori kl e ks, monomodalità spaziale, stessa polarizzazione.

La rivelazione coerente è l’unica tecnica di rivelazione che permette di accedere completamente alle informazioni di campo del segnale, cioè alle informazioni di campo del segnale, cioè alle informazioni di ampiezza, fase e frequenza. La sua funzione principale è quella di “selezionare” ed “amplificare” il segnale rivelato: “selezionare” nel senso che se il campo ottico locale (generato dall’Oscillatore Locale) è un laser, questo agisce da potente filtro che amplifica solo i segnali in coerenza spaziale, temporale, e di polarizzazione con l’oscillatore stesso; mentre “amplificare” nel senso che fornisce un guadagno al segnale rivelato.

Se ora andiamo a scrivere l’espressione dell’SNR noteremo che il termine di potenza Pl (essendo un valore elevato) andrà a deprimere i termini di rumore elettrico (jhonson noise e dark current). Prima di tutto riporto l’espressione dell’SNR elettrico per la rivelazione diretta in modo tale da rendere più facile un confronto con l’SNR con rivelazione coerente e in seguito con l’SNR in presenza di amplificatori ottici:

SNR elettricodiretta= (eαgPs)2e2αg2Ps+Pn+α2g2N0Pn+2Ps+Noce2+IDCe2Bm

Da questa Equazione si può notare che se si va a dividere per eαgPs si va a deprimere i 2 termini di rumore elettrico. Questo significa che una generica rivelazione con guadagno o con potenza del segnale molto elevata, mi permette di deprimere i rumori elettrici. Vediamo quindi l’espressione dell’SNR per la rivelazione coerente.

Il numeratore a causa del battimento tra campo segnale e campo locale diventerà:

2(eαg)2PsPl (per eterodina, ωs≠ωl) 4(eαg)2PsPl (per omodina, ωsl)

Abbiamo due tipi di rivelazione coerente possibili: la rivelazione coerente omodina con pulsazione segnale = pulsazione oscillatore locale; eterodina con pulsazione segnale ≠ pulsazione oscillatore locale. Il secondo tipo fa perdere un fattore ½ per la necessità di riportare il segnale miscelato dalla pulsazione ωsl in banda base.

Il denominatore invece diventa (andando a sommare il termine di potenza Pl aggiunto dall’oscillatore locale):

e2αg2Ps+Pn+Pl+α2g2N0Pn+2Ps+2Pl+Noce2+IDCe2Bm

Ora essendo Pl >> Ps e Pn posso trascurare questi due termini e riscrivere così il denominatore:

e2αg2Pl+α2g2N02Pl+Noce2+IDCe2Bm

Unendo quindi numeratore e denominatore e dividendo per e2αg2Pl otteniamo L’SNR per la rivelazione eterodina:

SNR elettrico omodina= 2αPsF+2αN0+Noce2αg2Pl+IDCeαg2Pl2Bm

Quindi Pl mi va a deprimere i termini di rumore elettrico. Inoltre se si utilizza la omodina si può raggiungere l’SNRQL più alto possibile da una foto rivelazione.

Gli svantaggi della rivelazione coerente risiedono nella complessità necessaria a garantire le 3 precondizioni, senza le quali vado a peggiorare l’SNR della rivelazione. Ad esempio se il segnale e l’oscillatore avessero entrambi 2 polarizzazioni lineari ma ortogonali si annullerebbero a vicenda e non riuscirebbe a rivelare nulla.

Passiamo ora ad analizzare il processo di amplificazione ottica. l’amplificatore ottico è un sistema di amplificazione che va ad introdurre anch’esso un guadagno nel segnale rivelato. A differenza di un rivelatore APD però viene l’amplificazione avviene sul segnale luminoso e non sulla foto corrente generata. Anche la rivelazione coerente amplifica il segnale ottico, ma abbiamo visto che devono valere le 3 precondizioni, mentre per un amplificatore ottico qualsiasi luce do in ingresso viene amplificata. Lo svantaggio principale tuttavia è quello che l’AO introduce un rumore ASE ineliminabile, di densità spettrale Nsp a causa delle emissioni spontanee. Mentre due grandi vantaggi dell’amplificatore ottico sull’APD sono la maggiore banda utilizzabile (in quanto in generale la banda ottica è sempre maggiore della banda elettrica) e la possibilità di utilizzare i colori per canali WDM, proprio perché l’amplificazione avviene sul segnale ottico.

Quindi, l’amplificatore ottico amplifica con un guadagno G qualsiasi luce vi sia in ingresso e introduce un rumore di tipo termico con banda pari alla banda di amplificazione. Andiamo quindi a scrivere l’espressione dell’SNR per l’amplificatore ottico:

SNRel con AO= (αGPr)2αGPr+α2Nsp2GPr+Noce2+IDCe2Bm  SNRel con AO= αGPr1+2αNsp+Noce2αGPr+IDCeαGPr2Bm

Anche in questo caso abbiamo i termini di rumore elettrico diminuiti; tuttavia l’SNRQL risulterà minore a causa del rumore ASE. Riassumendo brevemente abbiamo quindi che:

Rivelazione coerente:

  • Vantaggi: unica tecnica che permette di accedere alle informazioni di campo (ampiezza, fase, frequenza), amplifica e seleziona il segnale, quella omodina presenta l’SNRQL più alto raggiungibile, deprime il rumore elettrico.

  • Svantaggi: richiede tre precondizioni difficili da realizzare

Amplificazione ottica:

  • Vantaggi: introduce guadagno G con qualsiasi tipo di luce in ingresso, ha banda maggiore rispetto a quella elettrica, permette di utilizzare colori per canali WDM, deprime rumore elettrico

  • Svantaggi: introduce rumore ASE, presenta SNRQL diminuito dalla densità spettrale del rumore ASE.

Autore: Daniele Polenghi


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Anonimo
   
con le dita sempre in costante, frenetico movimento sulla tastiera… vengo spesso trascinato e catturato “in rete” per colpa delle mille idee che mi girano per la testa (prima o poi troverò quella giusta)… dal futuro incerto (nonostante una laurea, e chi non lo è?..siamo in tanti!) .. credo fortemente nella condivisione della conoscenza!
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