Измерение шумов оптического излучения

Одной из основных разновидностей шумов, часто встречающихся при оптических измерениях, являются шумы оптического излучения, которые существуют в оптическом сигнале до его обнаружения. Для количественной оценки совместно с таким показателем, как отношение сигнала/шум (SNR), часто пользуются понятием относительная интенсивность шума (RIN), которая определяется как [Иванов]

(11.7.1)

где (DР₀)² – среднеквадратическое значение отклонения интенсивности спектральной плотности оптического сигнала, а Р₀ – средняя оптическая мощность. Из данного выражения следует, что на практике необходимо добиваться минимизации значения RIN, которое может быть использовано для определения максимально достижимого SNR в системе передачи световой волны, где основным источником шума является интенсивность шума лазера. Следующее выражение показывает теоретическое соотношение между значениями сигнал/шум и RIN [Иванов]

(11.7.2)

где m – глубина оптической модуляции;

В – полоса частот шума.

Анализ приведенных выше уравнений показывает, что в достаточно большом рабочем диапазоне RIN полупроводникового лазера уменьшается с увеличением его мощности и традиционно измеряется с помощью анализатора электрического сигнала, подключенного к фотодиоду через усилитель. Результат измерения анализатором спектра в этом случае эквивалентен усиленному электрическому показателю (DР₀)² в выражении, определяющем RIN. При этом одновременно должны осуществляться контроль уровня постоянного фототока, произведение квадрата которого на 50 Ом и усиление усилителя дает электрический эквивалент (Р₀)². Здесь предполагается, что входной импеданс усилителя и анализатора спектра равен 50 Ом. Этот метод позволяет измерить как среднюю мощность оптического сигнала, так и обнаружение отклонения интенсивности шума. Кроме этого, анализатор оптического спектра может измерять уровни обнаруженного дробового и теплового шума, а также компенсировать их влияние с тем, чтобы иметь возможность измерять RIN ниже ограничения, вызванного дробовым шумом. Вычитание теплового и дробового шума из RIN обеспечивает увеличение диапазона измерения, как правило, приблизительно на 16 дБ.

Другим способам описания и сравнения шумов оптического излучения является выражение их в виде отношения мощности шума в 1Гц полосе частот, нормализованной относительно постоянной мощности сигнала. Такое описание полезно вследствие того, что это значение становится независимым от любого ослабления или абсолютной мощности, достигающей фотодиода. Данная частичная мощность шума в полосе частот часть называется относительным шумом оптического излучения и определяется следующим образом [ ]:

[Hz ^–1] (11.7.3)

где < D i ²> - усредненная по времени мощность шумов оптического излучения в полосе частот 1 Гц;

I₀ – средняя интенсивность излучения.

Так как RIN’ является нормализованным параметром, данное выражение действительно и если параметры D i и I₀ относятся к оптической интенсивности излучения обнаруженного фототока или даже входного напряжения приемника. На практике RIN’ можно определить с помощью анализатора электрического спектра, измеряющего усредненную по времени мощность шума фототока < D i ₂> и амперметра, контролирующего среднее значение постоянного тока фотодиода I₀. Влияние, оказывается тепловым и дробным шумами, следует вычесть из измеренной мощности шума для получения более точного значения действительных шумов оптического излучения входного оптического сигнала.

Процедура измерений интенсивности шума обычно включает настройку анализатора сигнала световой волны установкой начальной и конечной частот диапазона измерения, разрешающей способности в полосе частот, полосы видеочастот, эталонного уровня и маркера шума. Здесь следует отметить, что для наблюдения полного спектра шумов лазера необходима установка как можно более широкого диапазона частот измерения, в то время как разрешающая способность должна быть настроена на значение, составляющее приблизительно одну сотую интервала, с тем чтобы в процессе измерения иметь достаточно высокую скорость развертки. Видеополоса частот, которая выполняет ту же функцию, что и усреднение спектрограммы, настраивается на значение, достаточно низкое для поддержания разумного времени развертки.

Значительное воздействие на уровень шумов лазера могут оказывать отражения от коннекторов или сращиваний. Очевидно, что с увеличением уровня шумов, вызванных обратными отражениями, будут наблюдаться соответствующие изменения спектра излучения. Поэтому, используя маркеры для разделения частот между пиками шумов Df, можно определить расстояние D между отражениями с использование следующего выражения:

(11.7.3)

где с – скорость света в вакууме, 3 × 10 ⁸ м/с;

n – показатель преломления стекла, равный» 1.5.

Так, объемный оптический резонатор, сформированный между коннектором, создающим отражение, и зеркалом задней грани лазера, может усилить шум лазерного диода. Интерференция между прямой переданной волной и отраженной волной в лазерном резонаторе смещает усиление лазера, создавая синусоидальную вариацию шумового спектра, которая зависит от длины резонансного канала. При этом отраженная мощность нарушает динамическое равновесие процесса генерации и обычно увеличивает амплитуду интенсивности шума, особенно на частоте релаксационных колебаний. Также она может вызвать колебания шумового спектра с частотой, обратно пропорциональной полному времени прохождения светового луча от лазера до отражения. Чтобы избежать этого увеличения шума часто используются изоляторы. В результате экспериментальных исследований было показано, что для устранения этого эффекта изоляция должна составлять от 30 до 60 дБ и более.

Основные определения измеряемых параметров и характеристик

Фотоэлектрический полупроводниковый приемник излучения (ФЭПП) (Photoelectric semiconductor detector)-фоточувствительный полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на внутреннем фотоэффекте в полупроводнике.

Фотоприемное устройство (ФПУ) - фоточувствительный полупроводниковый прибор, состоящий из фотоэлектрического полупроводникового приемника излучения и схемы предварительного усиления фотосигнала в гибридном или интегральном исполнении, объединенных в единую конструкцию. Оно служит для приема (детектирования) и преобразования оптических сигналов в электрические. Как оптоэлектронный преобразователь, ФПУ имеет оптический вход (управляющая цепь) и электрический выход (сигнальная цепь), параметры которых должны быть согласованы с источником излучения и оптической линией связи, с одной стороны, и с электрической нагрузкой, включающей в себя любой требуемый преобразователь электрических сигналов: усилитель, модулятор, декодер, с другой стороны.

В зависимости от типа и режима детектирования ФПУ может работать либо в фотодиодном, либо в лавинном режимах.

Фотодиодный режим (Back-biased mode of photovoltaic detector operation)-режим работы фотодиода без внутреннего усиления при рабочем напряжении, приложенном в обратном направлении.

Лавинный режим работы фотодиода (Avalanche mode of photodiode operation)-режим работы фотодиода с внутренним усилением, который обеспечивается лавинным размножением носителей заряда при обратном смещении электронно-дырочного перехода.

В обоих режимах как элемент оптической цепи ФПУ может работать как в аналоговом, так и в цифровом режимах, что определяется формой оптического сигнала, поступающего на его вход. Тот или другой режим детектирования, уровни выходных сигналов, надежность их обнаружения, система обработки электрических сигналов с выхода ФПУ определяют номенклатуру основных параметров и характеристик.

Параметры напряжений, сопротивлений и токов ФЭПП:

−рабочее напряжение ФЭПП (Operating voltage) - постоянное напряжение, приложенное к ФЭПП, при котором обеспечиваются номинальные параметры при длительной его работе;

−пробивное напряжение фотодиода (Breakdown voltage of a photodiode)− значение обратного напряжения, не вызывающего пробой фотодиода, при котором обратный ток фотодиода достигает заданного значения;

-темновое сопротивление ФЭПП(Dark resistance)-сопротивление ФЭПП в отсутствие падающего на него излучения в диапазоне его спектральной чувствительности;

-темновой ток ФЭПП(Dark current)-ток, протекающий через ФЭПП при указанном напряжении на нем в отсутствие потока излучения в диапазоне спектральной чувствительности;

-фототок ФЭПП(Photocurrent)-ток, проходящий через ФЭПП при указанном напряжении на нем, обусловленный только воздействием потока излучения с заданным спектральным распределением;

-общий ток ФЭПП(Total current)-ток ФЭПП, состоящий из темнового тока и фототока;

-напряжение фотосигнала ФЭПП(Photoelectric signal voltage)-изменение напряжения на ФЭПП, вызванное действием на ФЭПП потока излучения источника фотосигнала.

Параметры чувствительности ФЭПП:

-чувствительность ФЭПП(Responsivity)-отношение изменения электрической величины на выходе ФЭПП, вызванного падающим на него излучением к количественной характеристике этого излучения, представленной любой энергетической или фотометрической величиной;

-монохроматическая чувствительность ФЭПП(Monochromatic responsivity)-чувствительность ФЭПП к монохроматическому излучению;

-спектральная характеристика чувствительности ФЭПП(Spectral sensitivity)-зависимость монохроматической чувствительности ФЭПП от длины волны регистрируемого потока излучения;

-абсолютная спектральная характеристика чувствительности ФЭПП (Absolute spectral-response characteristic)-зависимость монохроматической чувствительности ФЭПП, измеренной в абсолютных единицах, от длины волны регистрируемого потока излучения;

-относительная спектральная характеристика чувствительности ФЭПП-зависимость монохроматической чувствительности, отнесенной к значению максимальной монохроматической чувствительности, от длины волны регистрируемого потока излучения;

-длина волны максимума спектральной чувствительности ФЭПП(Peak spectral response wavelength)-длина волны, соответствующая максимуму спектральной чувствительности;

-область спектральной чувствительности ФЭПП(Spectral sensitivity range)-диапазон длин волн спектральной характеристики ФЭПП, в которой чувствительность ФЭПП составляет не менее 10% своего максимального значения;

-коротковолновая граница спектральной чувствительности ФЭПП (Short wavelength limit)-наименьшая длина волны монохроматического излучения, при которой монохроматическая чувствительность ФЭПП равна 0,1 её максимального значения;

длинноволновая граница спектральной чувствительности ФЭПП(Long wavelength limit)-наибольшая длина волны монохроматического излучения, при которой монохроматическая чувствительность ФЭПП равна 0,1 её максимального значения;

-интегральная чувствительность ФЭПП(Total responsivity)- чувствительность ФЭПП к немонохроматическому излучению заданного спектрального состава;

-частотная характеристика чувствительности ФЭПП(Frequency response characteristic)-зависимость чувствительности ФЭПП от частоты модуляции потока излучения;

-порог чувствительности ФЭПП(Noise equivalent power)-среднее квадратичное значение первой гармоники действующего на ФЭПП модулированного потока излучения сигнала с заданным спектральным распределением, при котором среднее квадратичное значение первой гармоники напряжения (тока) фотосигнала равно среднему квадратичному значению напряжения (тока) шума в заданной полосе на частоте модуляции потока излучения, при этом полосу частот выбирают, как правило, в пределах 10% от частоты модуляции так, чтобы изменением спектральной плотности в её пределах можно было пренебречь;

Параметры шума ФЭПП:

-ток шума ФЭПП(Noise current)-среднее квадратичное значение флуктуации общего тока ФЭПП в заданной полосе частот;

-напряжение шума(Noise voltage)-среднее квадратичное значение флуктуации напряжения на заданной нагрузке в цепи ФЭПП в заданной полосе частот;

-спектр тока шума ФЭПП(Noise current spectrum)-распределение плотности среднего квадратичного значения тока шума ФЭПП по частотам;

-спектр напряжения шума ФЭПП(Noise voltage spectrum)-распределение плотности среднего квадратичного значения напряжения шума ФЭПП по частотам;

-фоновая характеристика тока шума ФЭПП(Noise current-background radiant flux characteristic)-зависимость тока шума ФЭПП от немодулированного потока излучения фона;

-фоновая характеристика напряжения шума ФЭПП(Noise voltage-back- ground radiant flux characteristic)-зависимость напряжения шума ФЭПП от немодулированного потока излучения фона;

Параметры инерционности ФЭПП:

-переходная нормированная характеристика ФЭПП(Normalized transfer characteristic)-отношение фототока, описывающего реакцию ФЭПП в зависимости от времени, к установившемуся значению фототока при воздействии импульса излучения в форме единичной ступени, при этом импульс излучения в форме единичной ступени описывается выражением:

а переходная нормированная характеристика в общем случае имеет вид:

Рисунок 12.1 - Переходная характеристика ФЭПП

- время нарастания переходной характеристики ФЭПП (Rise time of the normalized transfer characteristic) - минимальный интервал времени между точками переходной нормированной характеристики ФЭПП со значениями 0.1 и 0.9 соответственно;

- обратная переходная нормированная характеристика ФЭПП (Normalized inverse transfer characteristic) – отношение фототока, описывающего реакцию ФЭПП в зависимости от времени, к начальному значению фототока при резком прекращении воздействия излучения, при этом поток излучения при резком воздействии описывается выражением:

Рисунок 12.2 – Обратная переходная нормированная характеристика ФЭПП

- время спада переходной характеристики ФЭПП (Decay time of the normalized inverse transfer characteristic) – минимальный интервал времени между точками обратной переходной нормированной характеристики ФЭПП со значениями 0.1 и 0.9 соответственно;

- предельная частота ФЭПП (Cut-off frequency) – частота синусоидально модулированного потока излучения, при котором чувствительность ФЭПП падает до значения 0.707 от чувствительности при немодулированном излучении.

Характеристики зависимости параметров ФЭПП от потока излучения:

- энергетическая характеристика фототока ФЭПП (Photocurrent-radiant flux characteristic) – зависимость фототока ФЭПП от потока или плотности потока излучения, падающего на ФЭПП;

- энергетическая характеристика фотосигнала ФЭПП (Photoelectric signal voltage-radiant flux characteristic) – зависимость параметра фототока, сопротивления, напряжения либо тока фотосигнала ФЭПП от потока или плотности потока излучения, падающего на ФЭПП;

- лсоксамперная характеристика ФЭПП (Photocurrent-illuminance characteristic) – зависимость фототока ФЭПП от освещённости или светового потока, падающего на ФЭПП.

Геометрические параметры ФЭПП:

- эффективная фоточувствительная площадь ФЭПП (Effective area of the responsive element) – площадь фоточувствительного элемента, эквивалентного по фотосигналу ФЭПП, чувствительность которого равномерно распределена по фоточувствительному элементу и равна номинальному значению локальной чувствительности данного ФЭПП, при этом в качестве номинального значения локальной чувствительности, как правило, выбирается максимальная чувствительность точки в центре ФЭПП;

- плоский угол зрения ФЭПП (Angular field of view) – угол в нормальной к чувствительному элементу плоскости между направлениями падения параллельного пучка излучения, при которых напряжение или ток фотосигнала ФЭПП уменьшается до заданного уровня;

- распределение чувствительности по элементу ФЭПП (Responsivity surface distribution) – зависимость чувствительности ФЭПП от положения светового диода на фоточувствительном элементе;

- угловая характеристика чувствительности ФЭПП (Responsivity directional distribution) – зависимость чувствительности ФЭПП от угла между направлением падающего излучения и нормалью плоскости фоточувствительного элемента.

Эксплуатационные параметры ФЭПП:

- рассеиваемая мощность ФЭПП (Total power dissipation) – суммарная мощность, рассеиваемая ФЭПП и определяемая мощностью электрического сигнала и мощностью воздействующего на него излучения4

- максимально допустимая рассеиваемая мощность ФЭПП (Maximum admissible power dissipation) – максимальная электрическая мощность, рассеиваемая ФЭПП, при которой отклонение его параметров от номинальных значений не превышает указанных пределов при длительной работе;

- критическая мощность излучения для ФЭПП – максимальная мощность импульсного или постоянного излучения, при которой отклонение энергетической характеристики ФЭПП от линейного закона достигает заданного уровня;

- динамический диапазон ФЭПП (Dynamic range) – отношение критической мощности излучения для ФЭПП к порогу чувствительности ФЭПП в заданной полосе частот;

- неравномерность чувствительности ФЭПП по элементу (Spacing response non-uniformity) – разность наибольшего и наименьшего значений чувствительности ФЭПП, измеренной при перемещении в пределах фоточувствительного элемента оптического диода с заданным спектральным распределением излучения и диаметром, отнесённая к среднему значению чувствительности;

- нестабильность сопротивления ФЭПП (Resistance unstability coefficient) – отношение максимального отклонения сопротивления ФЭПП от его среднего значения при постоянной температуре и напряжении питания в течении заданного интервала времени к среднему значению;

- нестабильность тёмного тока ФЭПП (Dark current unstability coefficient) – отношение максимального отклонения тёмного тока ФЭПП от его среднего значения в течении заданного интервала времени при постоянных температуре и напряжении питания приёмника к среднему значению;

- нестабильность чувствительности ФЭПП (Response unstability coefficient) – отношение максимального отклонения напряжения фотосигнала от среднего значения в течение заданного интервала времени при постоянных значениях потока излучения, температуры и постоянном напряжении питания ФЭПП к среднему значению;

- температурный коэффициент фототока ФЭПП (Photocurrent-temperature coefficient) – отношение процентного изменения фототока ФЭПП к вызвавшему его абсолютному изменению температуры окружающей среды при заданной освещённости (облучённости);

- световая нестабильность ФЭПП (Light unstability)-изменения светового сопротивления ФЭПП, происходящее вследствие изменения условий освещенности при его хранении;

-временной дрейф нулевой точки координатного фотодиода (Zero drift)-смещение нулевой точки координатного фотодиода при постоянной температуре в течение заданного интервала времени.