El ruido de intensidad de los láseres degrada la calidad de los sistemas de comunicaciones ópticas, tanto analógicos como digitales. En este artículo se presentaran algunas técnicas para la medida y caracterización del mismo.

Redes-opticas109-1La portadora óptica a la salida de un láser de semiconductor presenta fluctuaciones de intensidad, fase y frecuencia incluso en el caso de estar polarizado con una corriente constante. Los dos mecanismos fundamentales de ruido son la emisión espontánea y la recombinación electrón-hueco (ruido shot), si bien el primero de ellos es dominante. Cada fotón emitido de forma espontánea se suma al campo coherente generado por emisión estimulada como una pequeña componente de campo con fase aleatoria. La tasa de emisión espontánea es muy alta (1012 s-1 aprox.), lo que provoca que la intensidad y la fase de la luz emitida exhiban fluctuaciones sobre una escala de tiempos de tan sólo 100 ps. Las fluctuaciones de fase conducen a un valor finito del ancho de línea del láser, mientras que las fluctuaciones de intensidad conducen a una relación señal a ruido (OSNR) limitada.


Redes-opticas109-2Esta reducción en la OSNR, y el consiguiente aumento de BER, pueden suponer una importante limitación en la transmisión de señales tanto analógicas como digitales. Luego para asegurar el buen funcionamiento de un enlace de comunicaciones ópticas se debe disponer de una caracterización precisa del ruido de intensidad del láser, con el fin de comparar su nivel de potencia con la señal y optimizar las prestaciones. En este artículo comentaremos los fundamentos básicos del ruido de intensidad de los láseres y presentaremos métodos para su medida y caracterización.

 

 

 

 Ruido relativo de intensidad.
Redes-opticas109-3El ruido relativo de intensidad (RIN, Relative Intensity Noise) describe la contribución al ruido eléctrico del receptor de las fluctuaciones de intensidad del láser en relación con la potencia eléctrica de señal. En general, el ruido RIN se normaliza para un ancho de banda de 1 Hz, de tal forma que se pueda independizar del ancho de banda del receptor. Aunque se trata de un ruido óptico (fluctuaciones de la potencia óptica del láser), su definición se realiza en términos de potencias eléctricas a la salida del fotodetector. Más concretamente, éste se calcula como:

 

 

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donde N es la potencia eléctrica de ruido, Pf es la potencia de la fotocorriente recibida y B es el ancho de banda de ruido. El correspondiente valor de RIN en dB/Hz se calcula finalmente aplicando 10log10(·).
La figura 1 muestra el espectro típico de ruido RIN de un láser de InGaAsP a 1550 nm y para distintos valores de potencia óptica.
Como se puede observar en dicha figura, no se trata de ruido blanco, sino que presenta un pico de gran intensidad para una frecuencia cercana a la de las oscilaciones de relajación del láser. Adicionalmente, éste decrece rápidamente para frecuencias mayores a la de las oscilaciones de relajación, actuando como un filtro paso-banda para las fluctuaciones debidas a emisión espontánea.
Por último, el RIN decrece como P-3 para potencias bajas, pasando a una dependencia como P-1 para potencias altas.
Basándonos en la definición anterior de ruido RIN, su medida requiere de un láser sin modular, o bien de un instrumento de laboratorio que pueda realizar la medida de ambas potencias en presencia de un determinado patrón de modulación. Precisamente por ello, la norma IEEE 802.3ae (“10Gb/s Ethernet Task Force”) define el RIN OMA como el cociente entre la potencia eléctrica media de ruido normalizada a 1 Hz y la potencia eléctrica media de una onda cuadrada:

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La diferencia entre ambas definiciones de ruido RIN se refleja en la figura 2. Si se mantiene la potencia óptica media y la relación de extinción es muy alta, entonces ambas definiciones proporcionan prácticamente el mismo resultado.

 


Medida del ruido RIN.
Redes-opticas109-4Para realizar medidas del ruido RIN de láseres pueden emplearse diferentes técnicas. Como primer ejemplo, una de ellas se basa en el empleo de un osciloscopio digital. El dispositivo bajo test (DUT) se alimenta con una señal cuadrada proveniente de un generador de patrones de modulación. Para medir el RIN, la salida del DUT se conecta directamente a un osciloscopio de entrada óptica, o bien a un fotodetector y osciloscopio de entrada eléctrica. A partir de la forma de onda capturada (figura 3), el nivel de ruido RIN OMA puede calcularse como:

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donde N1 y N0 son las potencias ópticas de ruido de los niveles “1” y “0”, respectivamente, y ModAmp hace referencia a la amplitud de la modulación. Opcionalmente, la medida puede realizarse incluyendo en el montaje de laboratorio un reflector variable, de tal forma que se modele el caso peor. Conviene matizar que el nivel de ruido RIN de los láseres empeora en presencia de reflexiones externas hacia el DUT.
A partir de los resultados de la figura 3 se obtiene un RIN OMA de -114,8 dB/Hz. El valor de RIN puede calcularse directamente a partir de los valores del nivel “1” de la señal cuadrada. El margen dinámico de la medida depende de la potencia de salida del DUT, del tipo de conversión O/E y del nivel de ruido eléctrico interno (térmico principalmente). Por ejemplo, para un módulo receptor Agilent 86116C de 43 Gbit/s (BN = 33 GHz), caracterizado por una potencia equivalente de ruido de -10 dBm y un nivel máximo de potencia óptica media de entrada de 10 dBm, se tiene un margen dinámico de medida de RIN de -143 a -119 dB/Hz.


Redes-opticas109-5Otro de los métodos de medida de ruido RIN hace uso de un analizador de espectros eléctrico. La medida consiste en analizar el espectro de RF, estimando los niveles de ruido y de señal (CW) con el fin de independizar las contribuciones de los distintos términos de ruido (térmico, shot y RIN). Por ejemplo, el ruido térmico interno del equipo de medida se puede estimar anulando la señal óptica de entrada, mientras que el ruido shot se puede calcular a partir de la potencia óptica media. En la figura 4 se muestra un ejemplo de medida empleando el equipo 71400C/71401C de Agilent.


Por último, el ruido RIN puede estimarse también a partir de medidas en el dominio óptico. Por ejemplo, el equipo BOSA de Aragón Photonics permite realizar medidas de ruido RIN de láseres DFB analizando su espectro óptico. Adicionalmente, este instrumento permite medir otros parámetros tales como el factor de ensanchamiento de línea o la frecuencia de pico de las oscilaciones de relajación. El montaje de laboratorio es como el mostrado en la figura 5. Al igual que antes, simplemente se conecta el DUT a la entrada del BOSA y se captura la traza del espectro óptico. Posteriormente, se ajusta al pico de emisión del láser una curva Lorentziana ideal que se sustrae de dicha traza, obteniéndose medidas del espectro de ruido RIN como las mostradas en la figura 6. En este caso concreto, se puede ver la influencia de la corriente de polarización del láser sobre los niveles de ruido RIN.


Técnicas para compensar ruido RIN.
Redes-opticas109-6El ruido RIN de los láseres limita la calidad de los sistemas de comunicaciones ópticas. Dependiendo de la aplicación, se requieren valores de RIN del orden de -160 a
-130 dB/Hz. Gracias a la instrumentación de laboratorio presentada con anterioridad, se pueden estimar con precisión los niveles de ruido RIN del sistema, incluso en presencia de reflexiones. En caso de que estos valores no cumplan con nuestras especificaciones, entonces habrá que emplear alguna técnica para reducir sus efectos. Entre las más conocidas, se encuentra el empleo de un fotorreceptor balanceado (figura 7). Se trata de un receptor óptico en el cual se integran dos fotodetectores de idénticas características y que funcionan con un esquema Redes-opticas109-7diferencial. Es decir, las salidas de ambos fotodetectores se amplifican de forma diferencial con el fin de duplicar el nivel de señal y compensar en lo posible el nivel de ruido. Además del ruido RIN, también permite neutralizar el ruido shot. Con este esquema, se puede alcanzar reducciones de ruido RIN de hasta 20 dB.

 

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