¿Medir con precisión el ruido de intensidad relativa (RIN) mediante un analizador espectral de RF?

Question

Estoy tratando de medir el ruido de intensidad relativa (RIN) de un láser utilizando un analizador de espectro de RF. Es un método bastante común (esquema: Cómo medir el ruido de intensidad relativa en los láseres ) aunque me preguntaba si alguien más experimentado podría ayudarme a aclarar algunos de los matices de la medición del ruido.

Según tengo entendido, el RIN se define como la densidad espectral de intensidad-fluctuación media cuadrada de una señal óptica dividida por la potencia óptica media. Para medirlo, solemos colocar el láser en un fotodetector, utilizar una T de polarización para medir la tensión continua (que es proporcional a la corriente del fotodetector y, por tanto, da una medida de la potencia media) y conectar la salida de CA de la T de polarización a un analizador de espectro de RF.

Para trazar la RIN en función de la frecuencia, los valores de intensidad espectral de RF medidos se dividen por el ancho de banda de resolución del analizador de espectro (es decir, se ponen en unidades de dBm / Hz) y luego se dividen por la potencia eléctrica media

$$P_{avg} = \frac{V_{DC}^2}{50 \Omega}$$

Esto aparentemente da un valor con unidades dBc/Hz o dB/Hz.

El dB es una escala relativa, por lo que el dB/Hz tiene sentido en el sentido de que estamos midiendo la potencia de CA a una determinada frecuencia en referencia a la potencia de CC. Sin embargo, dBc/Hz es la potencia referida a la portadora y no estoy seguro de cuál es en este caso. Además, algunos autores presentan las mediciones del suelo de ruido del sistema en unidades de dBc/Hz. ¿Es esto incorrecto ya que en este caso no hay portadora? ¿O se trata de un suelo de ruido del sistema con referencia a la potencia del láser que se está midiendo?

Por último, en algunos casos me encuentro con que la traza del analizador de espectro de RF muestra los armónicos como una serie de picos (EDIT: mi láser es pulsado, por lo que los armónicos se encuentran a la velocidad de repetición de los pulsos, como era de esperar). Los niveles entre picos están al mismo nivel que el nivel de fondo (es decir, cuando no hay entrada de señal). ¿Podemos, por tanto, deducir que la RIN en estos puntos (es decir, si integramos desde 10 Hz, digamos, hasta el primer armónico) es igual o menor que la RIN del sistema? ¿O tendríamos que amplificar la señal sólo para asegurarnos de que podemos verla por encima del nivel de ruido del sistema?

Parece un tema complejo y tal vez lo esté pensando demasiado, así que cualquier consejo o indicación / buenas referencias serán muy apreciadas.

Gracias

Answer 1

Sin embargo, dBc/Hz es la potencia referida a la portadora y no estoy seguro de cuál es en este caso.

Sospecho que la portadora en este caso es la potencia óptica media, que pueden estar pensando en una portadora de muchos tercios.

algunos autores presentan las mediciones del suelo de ruido del sistema en unidades de dBc/Hz. ¿Es esto incorrecto ya que en este caso no hay portadora?

No me queda claro por qué alguien elegiría esas unidades para un piso de ruido. Puede que esté mal, pero me gustaría ver el contexto en el que lo leíste para asegurarlo.

Me parece que la traza del analizador de espectro de RF muestra los armónicos como una serie de picos. Los niveles entre picos están al mismo nivel que el nivel de fondo (es decir, cuando no hay entrada de señal). ¿Podemos, por tanto, deducir que la RIN en estos puntos (es decir, si integramos desde 10 Hz, digamos, hasta el primer armónico) es igual o menor que la RIN del sistema?

En las mediciones de RIN que he visto, no hay armónicos medibles, sólo un único pico relacionado con la frecuencia de oscilación de relajación intrínseca del láser. ¿Estás probando con una señal de modulación aplicada al láser? La mayoría de las mediciones de RIN que he visto se hicieron con el láser operado en onda continua, y creo que los resultados son más fáciles de interpretar para una señal óptica en onda continua.

En general, los analizadores de espectro tienen un piso de ruido, pero yo no lo llamaría "RIN", porque no es "intensidad relativa", no cambia en proporción a la potencia óptica. El ruido del sistema de medición es un "piso" fijo y no se puede medir la densidad espectral de potencia por debajo de ese piso. Por lo tanto, siempre que la traza esté por debajo del piso de ruido, no se está midiendo nada del dispositivo que se está probando, sólo las capacidades del analizador.

Comentario general

La medición del RIN es bastante difícil de realizar. A menos que el láser tenga un rendimiento muy malo, se necesita un detector de muy bajo ruido, un preamplificador de muy bajo ruido y un analizador de espectro muy sensible (con un piso de ruido bajo). Deberá probar el piso de ruido de todo su sistema receptor (detector, preamplificador, analizador de espectro) antes de medir su láser para estar seguro de saber cuándo está midiendo el comportamiento del láser y cuándo sólo está viendo el ruido del instrumento.

Editar

Para seguir con sus preguntas en los comentarios:

Lo siento, no estoy familiarizado con las mediciones de RIN en los láseres pulsados. Pero las unidades de dBc/Hz tienen mucho más sentido ahora --- sólo están hablando de la fundamental de la señal de pulso como la portadora.

En las mediciones que conozco, lo que más te interesa es la frecuencia de pico en el espectro RIN. No creo que puedas hacer esto con un láser pulsado porque tendrías que pulsar a una frecuencia más alta que el pico de RIN, lo que también estaría más allá de las capacidades de modulación del láser. Pero tal vez haya trucos que desconozco.

Sugeriré que para una medición de RIN pulsada, no necesitas la te de polarización, aunque podrías querer un condensador de bloqueo por el bien de tu entrada SA. El pico de la fundamental de la señal de pulso te da la potencia de la señal láser con la que medirías el ruido.

¿es justo decir entonces que el láser tiene un rendimiento de ruido igual o mejor?

Yo lo diría así: si el ruido del láser es demasiado pequeño para medirlo en su sistema de detección/SA, entonces el sistema de medición no es adecuado para medir el ruido de ese láser.

¿cómo recomendaría caracterizar el ruido de fondo del sistema?

Normalmente, se enciende el fotodetector y el preamplificador, pero no se aplica ninguna señal láser. A continuación, realiza un barrido en el analizador de espectro, utilizando los ajustes exactos que utilizarás para la medición. Así se obtiene el suelo combinado del detector más el SA.

Debería ser capaz de mostrar esto para compararlo con sus mediciones de RIN láser con sólo usar las funciones de guardar trazas del SA, sin necesidad de hacer cálculos.