Analisi e tecniche di misura del Relative Intensity Noise (RIN)

La trasmissione analogica e digitale è limitata da vari fattori, in particolare il rumore. Il laser intensity noise, ovvero l'instabilità dell'intensità del laser dovuta al rumore, è uno dei principali fattori che limitano i sistemi digitali riducendo il rapporto segnale-rumore e aumentando nello stesso tempo il tasso di errore di bit. A seconda del laser, le caratteristiche di rumore possono variare sensibilmente ed è quindi necessario caratterizzare il rumore di intensità della sorgente laser e progettare il sistema di potenza in maniera adeguata. Il Relative Intensity Noise (RIN) descrive i contributi di rumore relativamente alle fluttuazioni dell'intensità del laser rispetto alla potenza di segnale. In generale, il RIN è normalizzato ad una larghezza di banda di 1 Hz al fine di essere più facile confrontarlo con le fluttuazioni  quando si usano ricevitori con diverse larghezze di banda. In questo articolo dopo una breve panoramica sul RIN, andremo ad esaminare alcune tecniche di misura con le classiche strumentazioni: oscilloscopi ed analizzatori di spettro.

Introduzione

La misura di RIN serve come indicatore della qualità dei dispositivi laser, pertanto, maggiore è il valore RIN, più rumoroso è il laser. La figura 1a illustra l'intensità del segnale di uscita di un laser ideale, polarizzato con una corrente continua e con tutti i parametri che influenzano il laser, come la temperatura, ipotizzati costanti. A destra della figura, invece, sono visualizzate le fluttuazioni dell’intensità del laser dovute al rumore.

figura1

Figura 1: Intensità di laser senza rumore (a) e con rumore (b)

Il RIN è normalizzato a 1Hz e può essere definito nel seguente modo:

formula1dove  δp (t) rappresenta le fluttuazioni di intensità ottica, il <> denota la media temporale, P0 è la potenza ottica dc e Af è la larghezza di banda di rumore (banda del sistema di rilevamento). Il RIN dipende da molti parametri, i più importanti dei quali sono potenza, temperatura, frequenza di modulazione, ritardo e l'entità di feedback ottico. Per alcuni tipi di laser multimodali, il RIN può anche essere influenzato fortemente da componenti di sistema con una certa selettività in termini di lunghezza d'onda. La fonte principale di RIN, tuttavia, è di solito l’emissione spontanea. Le misure di alcune proprietà dei laser a semiconduttore, come appunto il rumore di intensità relativa, richiedono una buona comprensione dei meccanismi fisici sottostanti e le limitazioni che esistono nelle tecniche di misura. Essa è misurata campionando la corrente di uscita di un fotorivelatore nel tempo e trasformata in frequenza con una FFT Fourier. Un classico modo è analizzare il dominio in frequenza (spettro) utilizzando il corrispondente analizzatore di spettro. L’equazione vista sopra porta alla definizione tradizionale di RIN come il rapporto della potenza di rumore N normalizzata per una larghezza di banda 1 Hz per la potenza media della fotocorrente PI . Questa definizione di RIN richiede uno strumento in grado di misurare con precisione i precedenti due parametri all'interno del pattern di modulazione:

formula2dove BN è la larghezza di banda di rumore. In alcune volte il termine RIN è misurato come  il rapporto tra la potenza di rumore normalizzata ad una larghezza di banda di 1 Hz per la potenza elettrica del segnale modulato: questo conosciuto come RIN OMA. Talvolta i parametri RIN e RIN OMA sono definiti in dB.

Misura del RIN: considerazioni generali

Il RIN è spesso misurato tramite una rilevazione diretta. Un fotorivelatore viene quindi utilizzato per convertire la potenza del rumore ottico in un segnale elettrico: lo spettro di questo segnale è l'obiettivo della misura. Ovviamente, un analizzatore di spettro è lo strumento fondamentale in questo caso. Poiché la fotocorrente di uscita dal rivelatore di solito è un segnale debole, sono necessari amplificatori disposti dopo il rivelatore. L' amplificazione dovrebbe essere abbastanza elevata da soddisfare la sensibilità dello strumento. In realtà, la misurazione del RIN ha alcune limitazioni, pertanto queste devono essere specificate e compensate. Un metodo alternativo è misurare il RIN nel dominio del tempo mediante un oscilloscopio con campionamento ad alta velocità. Il metodo ne permette un’attenta valutazione con la necessità di un segnale modulato digitalmente. Un generatore di pattern in esecuzione al bit rate nominale modula il dispositivo in prova (DUT). Per vedere le fluttuazioni di intensità nel peggiore dei casi a causa di riflessioni back al DUT, bisogna utilizzare un controller di polarizzazione, ripartitore di potenza ottica (splitter power) e un riflettore (Figura 2).

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Figura 2: Schema a blocchi per la misura del RIN con un oscilloscopio

Al fine di separare il rumore casuale da distorsioni quali overshoot o interferenza intersimbolica, il modello pattern dovrebbe essere una sequenza PRBS. Questa sequenza è molto usata in pratica ed è una sequenza binaria pseudo aleatoria: ovvero un segnale periodico a tempo discreto che alterna due livelli. I parametri di design del pattern sono principalmente i livelli e la frequenza, ottenuti mediante uno shift register di ordine n (Figura 3).

figura3

Figura 3: Pattern PRBS

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Figura 4: RIN vs Frequenza per un generico laser

La figura 4 visualizza, invece, un esempio di spettro RIN per un laser ad alta velocità polarizzato ad una sorgente di tensione costante. La forma della curva RIN è fortemente dipendente dal punto di funzionamento e dalla velocità del laser. Il picco nella curva RIN è una caratteristica del laser a semiconduttore. A basse potenze di uscita, il picco RIN diminuisce in frequenza e aumenta di grandezza. La degradazione delle prestazioni del collegamento è una funzione del SNR desiderato per un dato tasso di errore di bit (BER) in combinazione con il livello assoluto di RIN (Figura 5).

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Figura 5: Esempio di andamento del BER in funzione del RIN

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Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 24 aprile 2016

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