Доклад. ДОКЛАД. Практическое применение метода калибровки по дробовому шуму при измерении относительного шума интенсивности (rin) лазера в системах передачи сигналов по волс
 Скачать 160.41 Kb.
|
|
ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА КАЛИБРОВКИ ПО ДРОБОВОМУ ШУМУ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ШУМА ИНТЕНСИВНОСТИ (RIN) ЛАЗЕРА В СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ ПО ВОЛС инж. Кашевский И.С. к.т.н.Сперанский В.С. инж. Куксенок Д.С. гл.спец. Шувалов В.М. ФГУП «Научно-технический центр «Орион» При построении оптической системы передачи сигналов по ВОЛС и определении качества источника лазерного излучения (ЛИ) существует необходимость определения относительной интенсивности шума (RIN) излучения. Данный параметр влияет на коэффициент шума всей системы, поэтому его точное измерение является актуальной задачей. На сегодняшний день существует несколько методик расчёта параметра RIN. Кроме того, в данной работе представлено практическое применение метода «калибровки по дробовому шуму» и показано влияние релеевского рассеяния на параметр RIN, зависящего от количества неоднородностей в ВОЛС и, как следствие, от её длины (при прочих равных условиях). За последние десятилетия в сфере радиосвязи при построении приёмо-передающих систем всё чаще используются радиофотонные компоненты. Такой переход связан в первую очередь с тем, что фотон, по своей природе, не имеет заряда и массы, в отличие от электронов, и, как следствие, фотонные системы не подвержены влиянию электромагнитных полей, а так же имеют большую ширину полосы пропускания сигнала, меньший вес и стоимость, но главное, гораздо меньшие потери. В современных оптоволоконных приложениях требования к оптическим передатчикам и лазерным источникам постоянно растут, поскольку они являются одной из основных частей волоконно-оптических линий связи. Нестабильность мощности лазерного излучения вносит отрицательный вклад в отношение сигнал/шум в линии связи, поэтому максимально точное определение данного параметра является одним из определяющих при выборе источников ЛИ для построения оптических систем передачи сигналов по ВОЛС. Относительную интенсивность шума RIN, можно рассматривать как тип обратного измерения отношения постоянного значения мощности к её шумовой составляющей [3], поэтому, чем выше значение RIN, тем выше коэффициент шума всей системы. Определение RIN в линейной форме выглядит следующим образом:
где  – среднеквадратичное значение отклонения интенсивности спектральной плотности оптического сигнала, P02 – квадрат среднего значения оптической мощности, ∆f – полоса пропускания системы регистрации шума [2]. Следовательно, в децибелах значение RIN выражается следующим образом [1]:
Данная величина часто измеряется в электрической области путем прямого обнаружения. Фотоприемник используется для преобразования мощности оптического шума в электрический сигнал. Спектр этого электрического шумового сигнала является целью измерения. Анализатор спектра (АС) является критически важным инструментом в этом случае. Поскольку выходной фототок от детектора обычно является слабым сигналом, зачастую после детектора необходимо разместить малошумящий усилитель. Это усиление должно быть достаточно высоким, чтобы превысить уровень собственных шумов АС [3]. Схематическое изображение стенда для измерения RIN представлено на рисунке 1.  Рисунок 1. Схематическое изображение стенда для измерения RIN Лазерное излучение передается по ВОЛС на фотодетектор, после чего сигнал делится на переменную (шум) и постоянную составляющую фототока. Спектральная плотность мощности измеряется при помощи АС. Метод калибровки по дробовому шуму основан на том, что при фиксированном токе смещения лазера различные источники шума возрастают с уменьшением мощности ЛИ при помощи динамического оптического аттенюатора. Несмотря на то, что зависимость RIN от частоты необходимо определять в широком диапазоне частот авторами статьи проводились измерения на некоторых частотах интересующего диапазона. Вариации различных шумов при изменении фототока на фиксированном токе смещения представлены на рисунке 2.  Рисунок 2. Вариации различных шумов при изменении фототока на фиксированном токе смещения Из графика видно, что тепловой шум не зависит от оптической мощности, следовательно, при изменении мощности ЛИ тепловой шум будет постоянным. С другой стороны, дробовой шум в таком случае возрастает линейно (10дБ/декада), а интенсивность шума лазера возрастает квадратично (20дБ/декада)[5]. Следовательно, полный электрический шум можно представить, как функцию зарегистрированного фототока:
где PN – это полный шум спектральной плотности мощности (PSD), IDC – это среднее значение DC фототока, Pth – тепловой шум, H(f) – транс-импеданс системы фотодетектор-АС. Первый квадратичный член в уравнении (3), соответствует квадратичной связи между шумом интенсивности и полным шумом. Второй член получается из дробового шума, который имеет линейную зависимость. В данном случае значения PN и IDC измеряются при различных настройках оптического аттенюатора. Вследствие этих измерений может быть получена кривая второго порядка, как показано на рисунке 3. Пунктирная линия соответствует линейной зависимости только дробового шума, шум интенсивности в данном случае ничтожно мал. При очень низких значениях фототоков, поскольку шум интенсивности очень мал, кривая близка по значениям к пунктирной [5].  Рисунок 3. Серия измерений параметров PN и IDC при различных настройках оптического аттенюатора Используя метод наименьших квадратов квадратичной функции (Y = a1X2 + a2X + a3) для измеренных значений, коэффициенты данного уравнения могут быть вычислены. Исходя из уравнения (3), калибровочный член (H(f)) и, следовательно, RIN могут быть вычислены из соотношений:
Данный метод может быть использован только для систем с ограничением по дробовому шуму. Для построения частотной зависимости необходимо провести серию измерений, что влечет за собой увеличение длительности всей процедуры. Важно отметить, что на точность измерения влияют не только характеристики приёмной и передающей части системы, но так же и оптическая линия связи, по которой передается сигнал. При прохождении ЛИ через оптическую трассу происходит рассеяние света на случайных изменениях плотности волокна, так как плотность стекла не является идеально однородной. Рассеяние на таких однородностях происходит во всех направлениях, и как следствие, данное рассеяние вносит свой вклад во флуктуации мощности лазерного излучения на входе фотоприёмника, так как часть этой мощности случайным образом теряется в оболочке. Данное рассеяние принято называть релеевским. В рамках экспериментальной проверки методом калибровки по дробовому шуму авторами статьи была проведена серия измерений системы передачи сигналов по ВОЛС. Модель источника лазерного излучения не приводится, т.к. в рамках проведенных экспериментов стояла задача отработки методики измерения RIN. Полученные результаты для длин трасс 1 м и 1 км представлены на рисунке 4. Длина оптического волокна в данном случае моделирует различное качество оптического волокна.  Рисунок 4. Измерение RIN системы передачи сигналов по ВОЛС при постоянном IDC Из графика видно, что значения параметра RIN отличаются на длинах трасс 1 м и 1 км, несмотря на то, что данный параметр зависит только от характеристик лазера. Отсюда следует, что увеличение длинны ВОЛС приводит так же к увеличению неоднородностей на трассе, т.е. увеличивается вклад релеевского рассеяния во флуктуации мощности ЛИ. Таким образом, происходит искажение измеряемых параметров, и корректное измерение параметра RIN в таком случае становится невозможным. Литература Основы микроволновой фотоники, Урик Винсент Дж.-мл., МакКинни Джейсон Д., Вилльямс Кейт Дж., 2016. Волоконная оптика. Компоненты, системы передачи, измерения, Иванов А.Б., Москва 1999. “Lightwave signal analyzers measure relative intensity noise,” Product Note 71400-1, Agilent Technologies, 2000. R. Hui and M. O’Sullivan, Fiber Optic Measurement Techniques, Academic Press, Boston, USA, pp. 259–363, 2009. E. Seyed, “Relative Intensity Noise (RIN) in Hight Speed Vertical Cavity Surface Emitting Lasers for Short Reach Communication”, Master of Sciense, Göteborg, pp. 20-21, 2012. D. Marpaung, High dynamic range analog photonic links: design and implementation, January 2009. |
