Tolali optik uzatish tizimlarining ikki tomonlama liniya traktlarini tuzish prinsiplari

6.4. Real optik aloqa liniyasining qabullash oxiridagi shovqinlar
Optik signalning asosiy xususiyati shundaki, u kvant tuzilishga ega. Fototokning shakllanishi alohida olingan fotonlarning yutilishi va elektron-kovak juftlarining hosil bo‘lishi bilan bog‘liq jarayonlarining ketma-ketligidir. Shu sababdan hatto yorug‘lik manbai va optik traktning barcha boshqa elementlari ideal bo‘lib, fotodiod kirishida signalga shovqin kiritmasalar ham fototokda shovqin tashkil etuvchisi mavjud bo‘ladi. Bu hol fotonlar yutilishining kvant statistikasi qonunlariga bo‘ysinuvchi tasodifiy haraktyerga ega ekanligi tufayli yuzaga keladi.
Bunday shovqin kvant shovqini deb ataladi va uni fotodiod kuchaytirgichi chiqishidagi signal/shovqin (S/SH) nisbatini baholashda hisobga olish zarur. Bu shovqin optik signal tabiati bilan bog‘liq bo‘lgani sababli, uning sathi fotodiod kirishidagi optik quvvatning ortishi bilan ortib boradi. Kvant shovqinlarining sathi elekiron-kovak juftlari hosil bo‘lishining tasodifiy haraktyerga ekanligi tufayli qo‘shimcha tarzda ortadi. Bu hol tok tashuvchilar - elektronlar va kovaklarning hosil bo‘lish joylaridan fotodiodning tashqi kontaktlarigacha ichki elektr maydoni ta’sirida turlicha vaqt davomida etib kelishi (dreyflanishi) bilan bog‘liq.
Yuqorida ko‘rib o‘tilgan shovqinlar drobovoy shovqin ko‘rinishida namoyon bo‘ladi. Ular spektr bo‘yicha foto qabul qilgich qayd etadigan f chastotalar oralig‘ida tekis taqsimlangan. Fototok shovqin tashkil etuvchisining o‘rtacha kvadratik qiymati quyidagi miqdoriy munosabat bilan aniqlanadi:
(I_shf )² = 2q I_{f o‘rt.} f =2 q R_s.S f. (10.12)

Bu yerda I_{f o‘rt.} – fotodiod kirishidagi optik quvvatning o‘rtacha qiymatiga mos keluvchi fototok o‘zgarmas tashkil etuvchisining o‘rtacha qiymati. Bu qiymat har qanday modulyatsiya usulida ham noldan farq qiladi; R_s-fotodiod yuza sirtiga tushayotgan optik quvvatning o‘rtacha qiymati. S- fotodiodning yorug‘likka sezgir sirti yuzasi.

Avval qayd etilganidek, hatto R_s = 0 bo‘lganida ham fotodiod orqali qorong‘ilik toki oqib o‘tadi. Uning tabiati ham tasodifiy haraktyerga ega va u kvant shovqini kabi qo‘shimcha shovqin manbai hisoblanadi. Qorong‘ilik toki shovqin tashkil etuvchisi o‘rtacha kvadratik qiymatining kattaligi I_shqor. uning o‘rtacha qiymati orqali quyidagicha aniqlanadi:

(I_shqor. )² = 2 q I_qor.o‘rt f. (10.13)

Optik traktning umumiy shovqiniga fotodiodning sezgir yuza sirtiga halaqit vazifasini o‘tovchi turli tashqi manbalardan tushayotgan fon nurlanishlari ham o‘z hissasini qo‘shadi. Agar bunday manba fotodiodning sezgir yuzasida R_fon. quvvat hosil qilsa, unga tegishli shovqin tashkil etuvchisi quyidagi ifoda orqali aniqlanadi:

(I_shfon )² = 2 q R_fon S f. (10.14)

Tolali optik aloqa liniyalari uchun yuqorida ko‘rib o‘tilgan shovqinlardan tashqari fotodiodning sezgir yuza sirti doirasida yorug‘lik intensivligining tasodifiy o‘zgarishlari (fluktuatsiyalari) hisobiga hosil bo‘luvchi modaviy shovqinlar ham harakterlidir. Bu turdagi shovqinlar kogerent nurlanish manbai (lazer diodi) ko‘p modali optik tola bilan birgalikda ishlatilganida namoyon bo‘ladi. Bu holda optik tolaning chiqish sirtida turli modalarning interferensiyasi natijasida “spekl-manzara” hosil bo‘ladi. Bu manzara bir qator omillar – atrof muhit haroratining o‘zgarishi, optik tolaning turlicha mexanik ta’sirlar tufayli mikro-deformatsiyasi va h.k.lar natijasida doimiy o‘zgarib turadi. Bu tashqi ta’sirlarning har biri optik tola bo‘ylab tarqalayotgan turli modalarga tegishli nurlarning geometrik yo‘li kattaligini tasodifiy tarzda o‘zgartiradi. Bu o‘zgarish unchalik katta bo‘lmasdan, bir kilometr optik tola uchun mikronning ulushlarini tashkil etishiga qaramasdan, u yorug‘lik nurlanishi to‘lqin uzunligiga yaqin o‘lchamlarga ega bo‘ladi va turli modalar orasidagi faza farqini muhim tarzda o‘zgartiradi. Bu hol optik tola chiqish sirtidagi nurlanish intensivligi taqsimotining o‘zgarishiga – modaviy shovqinning paydo bo‘lishiga olib keladi.

O‘xshash tarzda namoyon bo‘ladigan shovqin fotodiod kuchaytirgichining chiqishida nokogerent nurlanish manbai - yorug‘lik diodi va bir modali optik toladan birgalikda foydalanilganida ham hosil bo‘ladi. Faqat farqi shundaki, yorug‘lik nurlanishi intensivligining optik tola chiqish yuza sirtidagi taqsimotining tasodifiy harakteri fazoviy va vaqtli tuzilishga ega bo‘lmaydi.
Nurlanish manbai ham qo‘shimcha shovqinlar hosil qiladi. Ular optik quvvatning fluktuatsiyasi va intensivlikning nurlanish manbai yuza sirti bo‘ylab tasodifiy tarzdagi taqsimoti ko‘rinishida namoyon bo‘ladi.
Optik aloqa tizimini optik diapazon uchun harakterli bo‘lgan shovqinlar qatorining yuzaga kelish sabablarini bartaraf etib maqbullashtirish mumkin.
Kogerent nurlanish manbalarini bir modali optik tola bilan birgalikda, nokogerent nurlanish manbalarini esa ko‘p modali optik tola bilan birgalikda qo‘llab modaviy shovqinlarni bartaraf etish mumkin. Lazer diodi va yorug‘lik diodini tayyorlashda takomillashtirilgan texnologiyalarni qo‘llash va damlash toki manbalari uchun ularning ish rejimini nazorat qilish va avtomatik boshqarish ko‘zda tutilgan sxemotexnik yechimlarni ishlab chiqish yorug‘lik manbai shovqinlarini minimumlashtirish imkonini beradi.
Signalning kvant shovqinlari va qorong‘ilik tokining shovqinlarini birorta usul bilan ham bartaraf etish mumkin emas. Ularni optik signaldan ajratib bo‘lmaydi va bu turdagi shovqin omillarining mavjudligini fototokning kuchaytirgichi uchun sxemotexnik yechimlarini ishlab chiqishda hisobga olish zarur.
10.12-rasmda foto qabul qilgichning umumlashgan ekvivalent sxemasi keltirilgan. Unda barcha asosiy shovqin manbalari hisobga olingan va yuqorida keltirilgan shovqin manbalari bilan bir qatorda fotodiod yuklamasi aktiv qarshiligi R₁ ning issiqliq shovqinini hisobga oluvchi tok generatori I_shis. kiritilgan. Bu turdagi shovqinning kattaligi, ma’lumki, quyidagi munosabat bilan aniqlanadi:

(I_shi )² = 4 k T f / R₁. (10.15)

Bu yerda k = 1.38 10^-23 Dj/K - Bolsman doimiysi, T - Kelvin (K) shkalasi bo‘yicha harorat.

Yuqoridagi rasmda I_shkuch. va U_shkuch. manbalari bilan kuchaytirgich aktiv elementining shovqinlari hisobga olingan. Agar kuchaytirgich maydoniy tranzistor asosida tuzilsa,

(U_shkuch. )² = 4 k T f / g, I_shkuch. = 0. (10.16)

Bu yerda g - maydoniy tranzistor kirish (stok-zatvor) xarakteristikasining egriligi - kirish o‘tkazuvchanligi ma’nosiga ega kattalik.  - qiymati maydoniy tranzistor xiliga bog‘liq bo‘lgan koeffitsiyent. Bu qiymat 0.7 - 1.1 oraliqda yotadi.

Bipolyar tranzistor asosida tuzilgan kuchaytirgich uchun

(U_shkuch. )² = 4( k T )² f / (q I_k), (I_shkuch. )² = 2 q I_b f . (10.17)

Bu yerda I_b va I_k – mos ravishda tranzistorning bazasi va kollektori orqali oqib o‘tadigan o‘zgarmas toklar.

Yuqorida ko‘rib chiqilgan barcha shovqin manbalarini birinchi yaqinlashuvda o‘zaro bog‘liq emaslar deb qarash mumkin. Shu sababdan kuchaytirgich kaskadining chiqishidagi shovqinning natijaviy quvvati alohida manbalar tomonidan kiritilgan shovqinlarni yig‘ish orqali aniqlanishi mumkin. Yuqorida keltirilgan miqdoriy munosabatlardan foydalanib, kuchaytirish kaskadi chiqishidagi S/SH nisbati uchun analitik ifoda olish mumkin. Bu munosabatni atroflicha tahlil qilish quyidagi xulosalarga kelishga imkon beradi:
-S/SH nisbati qabul qilinayotgan signalning quvvati R_s ga bog‘liq emas va bu nisbatni R_s ni oshirish hisobiga oshirib bo‘lmaydi;
-agar optik trakt shovqinlari foto qabul qilgich elektron qismining shovqiniga yaqin bo‘lsa, S/SH nisbatini oshirishni fotodiod yuklamasi ekvivalent qarshiligi R₁ ni oshirish hisobiga ta’minlash mumkin.
Biroq R₁ ning ortishi foto qabul qilgich o‘tkazish oralig‘ining kamayishiga olib keladi. Shu sababdan bir vaqtning o‘zida S/SH nisbatini oshirish va foto qabul qilgichning o‘tkazish oralig‘ining avvalgi qiymatini saqlashni kuchaytirgich birinchi kaskadi elektron sxemasini muhim tarzda murakkablashtirishsiz amalga oshirish mumkin emas. Bu hol uning amplitudaviy-chastotaviy xarakteristikasiga yuqori chastotali korreksiya kiritishni talab etadi.