ИЗМЕРЕНИЕ ШУМОВ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Физика»

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2019 • ФИЗИКА • Вып. 1

УДК 53.088.23; 535.247.4 PACS 42.55.Wd, 42.50.Lc

Измерение шумов волоконно - оптических источников излучения

С. С. Стариковa, О. Л. Кельь, И. Л. Вольхинa

a Пермский государственный национальный исследовательский университет 614990, Пермь, ул. Букирева, 15 email: volkhin@psu.ru

b ПАО Пермская научно-производственная приборостроительная компания 614990, Пермь, ул. 25 Октября, 106 email: kel@ppk.perm.ru

Разработана методика измерения шумов волоконно-оптических источников излучения. Создана экспериментальная установка для проведения указанных измерений. Анализ источников шума усилителей спонтанной эмиссии показал, что основным источником является фазовый шум спонтанного излучения. При регистрации оптического излучения в фотоприёмнике в выходном электрическом сигнале появляются дополнительные шумы. В нём к шумам источника излучения добавляются дополнительные шумы фотоприёмника: дробовый шум, возникающий при преобразовании оптического сигнала в электрический и тепловой шум элементов преобразователя. Для разделения фазовых шумов спонтанного излучения и шумов фотоприёмника применяется анализатор спектра. При измерениях происходит запись двух спектров шума: суммарного шума усилителя спонтанной эмиссии и фотоприёмника и только одного фотоприёмника. В результате математической обработки выделяется фазовый шум источника излучения. Усилитель спонтанной эмиссии работает в составе волоконно-оптического гироскопа. Для уменьшения шумов применяют интегральный фазовый модулятор и синхронный детектор, работающие на частоте 100 кГц. Поэтому в настоящих исследованиях анализ шумов производится в узком спектральном диапазоне вблизи указанной частоты. Таким образом, были измерены относительные уровни оптических шумов в полосе пропускания 1 Гц нескольких усилителей спонтанной эмиссии. Они оказались на уровне порядка -130 дБ по сравнению с интенсивностью полезного сигнала. Затем были исследованы относительные уровни оптических шумов источников с различной полосой излучения. Установлено, что с увеличением ширины полосы излучения относительная величина оптических шумов уменьшается. Полученные результаты качественно совпадают с результатами теоретических расчётов. Это подтверждает правильность разработанной методики измерения относительного уровня оптических шумов квантовых генераторов.

Ключевые слова: шумы; измерение; излучение

Поступила в редакцию 04.02.2019; принята к опубликованию 12.04.2019

Noise measurement of fiber-optical radiation sources

S. S. Starikova, O. L. Kelb, I. L. Volkhina

a Perm State University, Bukireva St. 15, 614990, Perm email: volkhin@psu.ru

b Perm Scientific-Industrial Instrument Making Company, 25th October St., 106, 614990, Perm email: kel@ppk.perm.ru

© Стариков С. С., Кель О. Л., Вольхин И. Л., 2019

распространяется на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).

Noise measurement technique of fiber-optical radiation sources was developed. The experimental device for carrying out the specified measurements was done. The analysis of noise sources in spontaneous emission amplifiers showed that the main source is phase noise of spontaneous radiation. When optical radiation is detected in the photodetector, additional noise appears in the output electrical signal. In it, additional noise of the photodetector is added to the noise of radiation source: shot noise arising from the conversion of optical signal into electrical and thermal noise of the converter elements. Spectrum analyzer is used to separate phase noise of spontaneous emission and noise of photodetector. The measurements record two noise spectra, one - the total noise of spontaneous emission amplifier and photodetector, the other - the noise spectrum of one photode-tector. As a result of mathematical processing phase noise of radiation source is allocated. The spontaneous emission amplifier works as a part of fiber-optical gyroscope. The integrated optical phase modulatorcircuit and synchronous detector operating at frequency of 100 kHz are used to reduce noise. Therefore in these researches noise analysis is performed in the narrow spectral range near the specified frequency. Thus, the relative optical noise levels in of 1 Hz bandwidth for several spontaneous emission amplifiers were measured. They were on the order -130 dB in compared to the intensity of effective signal. Then relative levels of optical noise from sources with different emission bands were investigated. It has been established that with increase in emission bandwidth, the relative magnitude of optical noise decreases. The results obtained qualitatively coincide with results of theoretical calculations. This conforms the correctness of developed methodology for measuring the relative optical noise level of quantum generators.

Keywords: noise; measurement; radiation Received 04.02.2019; accepted 12.04.2019 doi: 10.17072/1994-3598-2019-1-66-73

1. Введение

В настоящее время точность определения положения тела в пространстве играет важную роль. С этой целью широко используются навигационные приборы для определения координат в пространстве, такие как акселерометры и гироскопы [1]. Они являются основой инерциальной ориентации и навигации. Наиболее распространенными на данный момент являются оптические гироскопы, действие которых основано на эффекте Саньяка. В данных приборах навигационного класса точности используются суперлюминесцентные волоконные источники оптического излучения (СВИОИ), построенные на основе оптического волокна, легированного ионами эрбия (ЭСВИОИ) [2].

Благодаря использованию ЭСВИОИ в качестве широкополосного источника оптического излучения в волоконно-оптическом гироскопе (ВОГ) удается добиться повышения стабильности масштабного коэффициента волоконного интерферометра и точности за счет снижения дрейфов ВОГ и уменьшения шумов. Источники излучения являются одним из ключевых устройств волоконно-оптических систем. Их работа зависит от многих факторов, одним из которых является наличие шумов - неконтролируемых сигналов, определяющих минимальный уровень оптического сигнала, который может быть воспринят приёмным устройством. Это влияет на максимально дальность передачи сигнала.

В любой области электронной техники значение предельно различимого слабого сигнала опре-

деляется отношением сигнал/шум. Отношение сигнал/шум, равное единице, соответствует порогу обнаружения полезного сигнала в его смеси с шумом [3]. Даже если измеряемая величина не мала, шум снижает точность измерения. Устранение и минимизация шумов в проектируемых схемах и системах - одна из наиболее трудных, но в то же время актуальных инженерных задач. Общих правил для этого не существует, поэтому приходится многие решения проверять опытным путем.

Целью настоящей работы является разработка методики определения шумовых характеристик волоконно-оптических источников излучения.

2. Усилитель спонтанной эмиссии

Усилитель спонтанной эмиссии (УСЭм), использующийся в ВОГ представляет собой квантовый волоконно-оптический генератор, собранный на основе эрбиевого усилителя с цепью оптической положительной обратной связи. Схема энергетических уровней эрбия представлена на рис. 1 [4]. Слева от рисунка приведена шкала энергий в обратных см, справа - энергетические уровни. Показаны резонансные длины волн поглощения и излучения для трёх нижних уровней энергии. Эрбиевые усилители работают по классической трёхуровневой схеме: при интенсивной лазерной накачке с длиной волны 980 нм электроны со стабильного уровня ^5/2 переходят на уровень 4!ц/2 . Время их жизни на этом уровне короткое -порядка 1 мкс, и они переходят на уровень 4Ь3/2 с испусканием фононов. Этот уровень является ме-тастабильным с большим временем жизни порядка

энергия ><1000 см 1 12

10 8 6 4 2 0

'\Л/> _ 980нм

4113/2

1520нм

4115/2

-защитное покрытие

-оболочка ■сердцевина

4113/2 О О

-е—е—©-

Цдг-*-

^ЛЛг-*-

4115/2

У

-Иг-*

ПАг-*-

1 -Л—»-1 -Л—»-

Рис. 1. Схема энергетических уровней эрбия

10 мс. Поэтому при соответствующей мощности накачки возникает инверсная заселённость энергетических уровней ионов эрбия. Следует отметить, что стабильный и метастабильный уровни разделены на штарковские подуровни энергии. В результате при релаксации электронов возникает 56 разрешённых переходов, и спектр испускаемых квантов находится в интервале длин волн 1570^1520 нм, как показано на рис. 1.

Основным элементом (активной зоной) волоконно-оптических усилителей является участок оптоволокна из кварцевого стекла ^4+022~), легированного ионами эрбия (Ег3+) [5]. Длина активного волокна составляет обычно 5^8 м. Его продольное сечение показано на рис. 2. Эрбиевое волокно, как и обычное одномодовое оптическое волокно, имеет сердцевину диаметром 3^6 мкм, легированную германием и ионами эрбия. Концентрация ионов эрбия составляет 1017^1019 см-3. Сердцевина окружена оболочкой из чистого кварца диаметром 125 мкм Защитное покрытие волокна диаметром 250 мкм имеет большой коэффициент преломления и эффективно выводит из оболочки постороннее излучение.

а б в г д

Рис. 3. Процессы в активной области оптического волокна: (а) - затравочная волна; (б) - поглощение; (в) - стимулированное излучение; (г) - спонтанное излучение; (д) -усиленная волна

частоту (в пределах полосы спектра испускания), фазу, поляризацию и направление распространения. Спонтанное излучение некогерентное и создаёт шумы на выходе У СМ.

Другим оптическим процессом является поглощение кванта света, сопровождающееся переходом электрона с уровня 41:5/2 на уровень 41в/2 рис. 3, в.

В основе работы УСЭм лежит явление индуцированного излучения [6,7]. Возникшая в результате спонтанного перехода затравочная волна рис. 3, а поляризованная в направлении поляризации оптического волокна и распространяющаяся вдоль него может инициировать процесс вынужденного перехода второго электрона рис. 3, б. Испускаемый фотон идентичен инициирующему фотону - они имеют одинаковые частоту, фазу, поляризацию и направление распространения.

При распространении световой волны вдоль активной среды интенсивность индуцированного излучения экспоненциально возрастает:

I = 1оехр(ах)

(1)

Коэффициент а называют коэффициентом усиления активной среды.

В реальной активной среде происходит также обратный процесс - снижение интенсивности излучения в результате поглощения, а также при рассеянии на неоднородностях или примесях, которые преобразуют энергию излучения в тепло. Эти потери учитываются в коэффициенте р. Тогда интенсивность когерентного излучения в среде определяется как:

I = 1оехр[(а-в)х]

(2)

Рис. 2. Структура активного оптического волокна

Процессы, происходящие в активной области оптического волокна, представлены на рис. 3. Электрон может спонтанно перейти с уровня 4Ь3/2 в более низкое энергетическое состояние на уровень 4Ь5/2, испустив при этом квант света (рис. 3, г). Спонтанные переходы являются случайными и не зависят от внешнего электромагнитного поля. Излученные фотоны имеют случайные

Если а > в, то интенсивность световой волны растёт при прохождении через активную область и на выходе появляется усиленная волна рис. 3,(д).

Ширина спектра излучения квантового генератора на уровне половинной мощности ДЯ определяет монохроматичность его излучения, в том числе время когерентности тког = Я2/(сДЯ) и длину продольной когерентности 4ог = с тког. Длина продольной когерентности - это максимальная разность хода интерферирующих лучей, при которой ещё наблюдается их интерференция. Таким обра-

41

11/2

зом, чем уже спектр излучения, тем больше время и длина когерентности.

Для УСЭм ДЯ составляет порядка 10 нм на X = 1550 нм и /ког ~ 0.24 мм, что позволяет исключить нежелательную интерференцию оптических волн, уменьшавшую точность определения координат волоконно-оптическими гироскопами.

Схема оптической части УСЭм приведена на рис. 4. Излучение лазерного диода накачки с длиной волны 980 нм поступает на вход оптического соединителя, который является спектральным мультиплексором длин волн 980 нм и 1550 нм. С его выхода по сердцевине оптического волокна происходит боковая накачка активной области катушки эрбиевого волокна, которая является усилителем. Затравочная волна, возникшая в результате спонтанного перехода после включения УСЭм усиливается и через оптический вентить поступает на оптический выход (розетку оптического соединителя). Оптический вентиль пропускает волну в прямом направлении и ослабляет отражённые волны, нарушающие работу генератора. В квантовом генераторе на основе УСЭм затравочная волна усиливается и проходит через активную область эрбиевого волокна только один раз. Затем происходит усиление другой затравочной волны, кото-

Условные графические обозначения: —(§)- - оптическое волокно;

х - сварка оптического волокна; >—(§)— розетка оптического соединителя

- лазерный диод„ — накачки; "^ЙН НЯ)"

- оптический вентиль;

- оптический соединитель

[Д<§ь

- оптическая

нагрузка;

Л

® ® кабеля;

- катушка оптического

Рис. 4. Схема квантового генератора на основе усилителя спонтанной эмиссии

рая отличается от первой своей поляризацией и, в пределах спектра излучения, длиной волны. Таким образом, выходное оптическое излучение является деполяризованным и более широкополосным по сравнению с лазерным. К нижнему по рис. 4 входу оптического соединителя подключается оптическая нагрузка. В зависимости от решаемых задач это может быть либо поглощающая нагрузка (аттенюатор или оптический вентиль), либо зеркало.

Типичная нормированная спектральная характеристика УСЭм показана на рис. 5. Форма спек-

тральной характеристики обычно близка к форме гауссовой кривой. Максимальная мощность УСЭм на основе оптического волокна, легированного эрбием, достигается на длине волны Хтах=1550 нм или вблизи неё. Ширина спектра оптического излучения ДЯ ~ 10 нм. Вблизи максимума мощность излучения с течением времени изменяется незначительно, только за счёт шумов. Измерение уровня шумов является важной задачей. Её решение позволяет конструкторам и технологам разработать и создать УСЭм с минимальным уровнем шума.

шумы

0,5

X, нм

10 нм

Рис. 5. Нормированная спектральная характеристика усилителя спонтанной эмиссии

3. Исследование шумов волоконно-оптических источников излучения

3.1. Основные источники шума в волоконно-оптических гироскопах

Основными источниками шума в ВОГ являются активные элементы с нелинейными характеристиками: источники оптического излучения - усилители спонтанной эмиссии, фотоприёмники и усилитель электрического сигнала с выхода фотоприёмника.

На рис. 6 представлена схема, иллюстрирующая основные составляющие шумов в активных элементах ВОГ. Из рисунка видно, что источника-

шумы источ- шумы шумы фо- шумы

ника питания драйвера топриёмни- усилителя

X

ка

УСМ фотоприёмник

усилитель

оптические шумы

Рис. 6. Источники шума в активных элементах ВОГ

ми шума УСЭм являются электрические (шумы

источника питания и драйвера) и оптические шумы. Зашумленный сигнал с выхода УСЭм поступает на фотоприёмник, в котором к ним добавляется шум самого фотоприёмника. Дополнительным источником является шум усилителя электрических сигналов. Таким образом, результирующий спектр шумового сигнала становится очень сложным. Для уменьшения влияния шумов на точность определения места расположения гироскопа в пространстве оптический сигнал модулируется специальным устройством - интегрально-оптическим фазовым модулятором на частоте /мод = 100 кГц. При применении синхронного детектирования сигнала на этой частоте сужается спектр усиливаемого сигнала и уменьшается уровень шумов по сравнению с таковым при усилении сигнала на постоянном токе. При модернизации ВОГ могут использоваться различные оптические квантовые генераторы с различным спектральным распределением шумов. На работу ВОГ влияют только компоненты, находящиеся вблизи частоты, на которой происходит модуляция и детектирование сигнала в ВОГ. Поэтому в непрерывном спектре шумов необходимо выделить окно измерений вблизи частоты /мод, на которой происходит модуляция и детектирование сигнала, так как они мешают работе ВОГ только на этой частоте.

В указанном окне измерений вклад шумов источника питания и драйвера на несколько порядков меньше вклада оптических шумов, и поэтому их можно не учитывать.

В настоящей работе сигнал с выхода фотоприёмника поступал на вход анализатора спектра PXA Signal analyzer N9030A, с малошумящим предварительным усилителем. Средний уровень шумов составляет -171 дБм согласно технической документации на прибор [8]. Это на несколько порядков ниже уровня шумов УСЭм и фоториёмника, поэтому их также можно не учитывать.

Таким образом, основной вклад в окне измерений вносят оптические шумы УСЭм и фотоприёмника, которые присутствуют в измеряемом анализатором спектра электрическом сигнале.

В экспериментах был использован фотоприёмника PIN-FET фотоприемник фирмы LDI, по характеристикам наиболее подходящий для измерений.

P(t) Po

0

->t

Рис. 7. Временная диаграмма сигнала на выходе фотоприёмника

мощности шума приведём в расчёте на ширину полосы пропускания 1 Гц. Таким образом, вводится понятие относительной интенсивности шума Relative Intensity Noise (RIN) [8,9]:

RIN

Гц

(SP(t }2)

Po2 f '

(3)

где А/р - полоса пропускания системы регистрации шума.

Величину ЯШ удобно измерять в единицах дБ/Гц, в этом случае формула (3) преобразуется:

RIN

дБ Гц

= 10 lg

SP(t )2

2\Л

(4)

[дБ]-10lgAf [Гц],

Согласно [9], факторы, влияющие на RIN, состоят трёх частей:

1. Шумы фотонов Shot Noise (SN) или так называемый «дробовый шум» возникает в фотоприёмнике при преобразовании оптического сигнала в электрический. Он связан с корпускулярно-волновой природой света. Этот шум зависит только от квадратного корня мощности оптического сигнала:

SN ~

1

■

(5)

2. Фазовый шум УСЭм является шумом спонтанного излучения, а его спектр является автокорреляцией оптического спектра. Она начинается с нулевой частоты, и его ширина имеет тот же поря-

3.2. Относительная интенсивность шума

На рис. 7 представлена временная диаграмма интенсивности электрического сигнала на выходе фотоприёмника. В ней имеется постоянная составляющая Р0 - мощность продетектированного оптического сигнала и флуктуации этой мощности дР((). Шумы могут иметь различный спектральный состав, а системы регистрации - различную полосу пропускания. Для устранения неопределённости измерений предположим, что шум является белым, т.е. постоянным для всех частот, а уровень

Im(P) '

0

спонтанно излучённый фотон со случайной фазой

+Re(P)

Рис. 8. Диаграмма иллюстрирующая интенсивность и фазовый шум спонтанного излучения

док величины, что и оптический спектр. Это так называемый избыточный оптический шум Я/Ыор, На рис. 8 показана диаграмма поясняющая возникновение фазовых шумов.

Я/Ыор возникает из-за собственных колебаний между частотами оптического спектра, каждое из которых имеет случайную фазу и изменяет ЯШ:

RIN,

1

opt

(6)

здесь Д/Ос - ширина полосы излучения УСЭм.

3. Температурные шумы Thermal Noise (TN) преобразователя ток-напряжение фотоприёмника

TN -

1

p-JTR'

(7)

ИП - УСЭм

аттенюатор

ФП

Осциллограф

Анализатор спектра

графа. С помощью регулируемого оптического аттенюатора постоянная составляющая напряжения на выходе ФП устанавливается равной 1 В. Затем сигнал с выхода ФП переключается на вход анализатора спектра. Измеряется и записывается в память анализатора спектр шумов в интервале 0-1 МГц.

где Т - температура в градусах Кельвина, Я - сопротивление резистора нагрузки фотоприёмника.

Все три фактора вносят свой вклад в Я/Ы. Авторы работы [9] показали, что вклад фазовых шумов в относительную интенсивность оптических шумов на порядок больше, чем вклад дробовых шумов, и на два порядка выше температурных.

Таким образом, при измерении шумов необходимо учитывать ширину излучения Д/ос УСЭм и ширину полосы пропускания системы регистрации шума Д/р.

3.3. Методика исследования оптических

шумов

С учётом изложенного выше, Я/Ыор следует находить на частоте работы фазового модулятора /мод = 100 кГц. Окно измерений (полоса пропускания анализатора спектра) Д/р = 110 - 90 = 20 кГц, было выбрано нами с учётом удобства анализа шумов вблизи частоты /мод. В этой же полосе находится и полоса пропускания усилителя ВОГ. Как было отмечено выше, шумы в остальных частях спектра на работу ВОГ не влияют и их измерение не представляет практического интереса.

Схема проведения измерений оптических шумов УСЭм приведена на рис. 9.

Рис. 10. Спектрограмма распределения максимальных напряжений шумов

Avg Tff«: Щ EE SelectMarker

Ref 312.2 |IV Mkr1 1 34. 00 kHz Q63 JJV

Normal

Delta

Fixed!-

- Off

Properties ►

1 Д

More

Start П ResBK Hz 9 1 kHz VBW 9.1 kHz Sweep 4 Stop 1.0000 MHz 6.1 ms (1001 pts) icfl

• DC Coup iled

Рис. 9. Схема проведения измерений

Первым этапом измерения оптических шумов УСЭм является настройка аппаратуры. Задаётся напряжение источника питания ИП1 для УСЭм равное 5 В и ИП2 модуля фотоприемника ФП -24 В. Выход ФП подключается к входу осцилло-

Рис. 11. Спектрограмма распределения среднего уровня напряжений шумов

Маркер настраивается на частоту 100 кГц и измеряется напряжение шумов максимальное итах спектрограмма на рис. 10 и среднее Цауе - рис. 11. Источник питания УСЭм выключается и снимается спектр шумов фотоприёмника.

Программное обеспечение анализатора спектра позволяет производить различные виды математической обработки полученных спектров, в частности вычитать спектры сигналов. Таким способом на частоте 100 кГц было проведено квадратичное вычитание из смешанного сигнала шума УСЭм и фотоприёмника сигнала шума одного фотоприёмника. В результате удалось выделить сигнал шума УСЭм и измерить его напряжение. Так были получены величины Ц*тах - максимальное и Ц*аУе -среднее напряжение шумов УСЭм. Результаты измерений для трёх квантовых генераторов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты измерения шумов УСМэ

УСЭм Umax, мВ Uave, мВ U*max, мВ U* ave, мВ

№498 94 34 72 27

№451 111 33 101 30

б/н 144 41 118 38

Результаты показывают, что УСЭм 120Ц №498 имеет наименьшее значение амплитуды шумов в обоих режимах анализа за счет уменьшенных шумов источника тока лазерного диода накачки. Поэтому шумовые характеристики данного УСЭм должны быть лучше остальных.

HgilHlt S

■АЕПяпеяшштиши; Trig: Fr*« Run Лп.л:6аВ Select Marker 3

Ref 829.8 nV мкгз mo 3

* Normal

Delta

LI. Fixed!-

Ж ™ Ml IIClJjl M Ш Ik A idik IjJkJ

^Hiw "l ™ I "1" ™ 1 fll Ijl? Off

Properties*

Start #ResE J.LHIL1|J tly, Wirt

More 1of2

0.00 kHz Stop 110.00 kHz W 1.0 Hz VBW 1.0 Hz Sweep (FFT) -14.0 ms (1001 pts)

|usg ¿«Alignment Completed sun*

Рис. 12. Спектрограмма распределения среднего уровня напряжения шумов: верхняя - УСЭм и фотоприёмника; нижняя - фотоприёмника

Для вычисления Л/Мр окно измерений было сужено до А/р = 110 - 90 = 20 кГц, вблизи /р = 100 кГц. На рис. 12 приведены две спектрограммы: верхняя иауе при включенном УСЭм №498, нижняя - при выключенном. Измерено напряжение шумов Ц*аУе для полосы частот А/р = 1 Гц. Аналогичные исследования выполнены с УСЭм №451. Следует отметить, что фотоприёмник работал на квадратичном участке своей вольт-амперной характеристики, поэтому измеренные напряжения пропорциональны мощности сигнала шумов. Тогда в формуле (4) второй член 101§(Д^) обращается в ноль при А/р = 1 Гц. Первый член 101ё((¿Р(02)/Р) упрощается до 101ё(и*ауг), поскольку при настройке постоянная составляющая напряжения на выходное фотоприёмника была установлена равной 1 В и поэтому р2 = 1. Результаты расчётов представлены в табл. 2.

Таблица 2. Результаты измерения Л/Мр

УСМэ

УСЭм U*max, нВ А/р, Гц WJVopt дЬ1 Гц]

№498 361.0 1 -128

№451 355.4 1 -129

Из табл. 2 видно, что наиболее малошумящим является УСЭм 120-Ц №498. Измерения проводились анализатором спектра PXA Agilent technologies N9030A, который согласно инструкции по эксплуатации имеет погрешность измерений ±0.19 дБ [8]. Таким образом, сравнение результатов измерений RIN^X является корректным.

3.4.Исследование зависимости оптических шумов от полосы спектра излучения источника

В работе [9] показано, что относительная интенсивность шума RINopt, являясь фазовым шумом, не зависит от мощности по сигналу, однако ширина полосы излучения источника согласно (6) может влиять на значение его величины. Она обратно пропорциональна ширине полосы излучения источника. Для проверки данной теоретической зависимости определены значения RINopt для источников излучения с разными ДА. Результаты приведены в табл. 3.

Таблица 3. Результаты измерения RIN источников излучения с различными АА

УСЭм U*max, нВ АА, нм -ш

EXFO FLS-2600B 3071.0 0.13 -110

УСЭм №451 355.4 7 -129

УСМ б/н 324.77 10 -130

SLD 229.79 30 -133

Как и предполагалось, с увеличением ширины полосы излучения величина Л/Мр уменьшается, однако данный эксперимент проводился при отсутствии эталона. Следовательно, оценка результатов измерений выполнена только качественно.

На рис. 13 сплошной линией приведена зависимость Л/М^ = /(ЛЯ), рассчитанная по формуле (6). Здесь же точками отмечены экспериментально определённые величины Л/М^ из табл. 3. Следует отметить, что полученные экспериментальные результаты схожи с теоретической зависимостью, тем самым качественно было доказано, что Л/Мр зависит от ширины полосы излучения источника. Установлено, что с увеличением ширины полосы излучения относительная величина оптических шумов уменьшается. Полученные результаты в целом качественно совпадают с результатами теоретических расчётов. Для широкополосных источников излучения с ЛЯ = 7^30 нм наблюдается и количественное совпадение. Это подтверждает правильность разработанной методики измерения относительного уровня оптических шумов квантовых генераторов. Для УСЭм с ЛЯ ~ 10 нм методика является верифицированной. Для более узкополосных источников лазерного излучения с ЛЯ ~ 0.1 нм необходимо провести дополнительные ис-

следования на большем числе источников с различной полосой оптического излучения для выяснения отличия экспериментальных и теоретических результатов.

1. Lefèvre Hervé C. The fiber optic gyroscope. Boston-London: Artech House, 2014. 407 p.

2. Алейник А. С., Кикилич Н. Е., Козлов В. Н., Власов А. А., Никитенко А. Н. Методы построения высокостабильных эрбиевых суперлюминесцентных волоконных источников оптического излучения // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. Т. 16. № 4. С. 593-607. DOI: 10.17586/2226-1494-2016-16-4-593-607

3. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Т. 2. М.: Мир, 1993. 371 с.

4. Курков А. С. Волоконные лазеры: принципы построения и основные свойства. Ульяновск: УлГУ, 2012. 184 с.

5. Стройков И. И., Скворцов A. M. Применение редкоземельных элементов в квантовой электронике // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2006. № 29. C. 60-66.

6. Карпов Н. В., Маненков А. А., Квантовые усилители. М.: Радио и связь, 1966. 234 с.

7. Штейншлейгер В. Б., Мисежников Г. С., Лифа-нов П. С. Квантовые усилители СВЧ (мазеры). М.: Радио и связь, 1971. 452 с.

8. Hashemi S. E. Relative intensity noise (RIN) in high-speed, VCSELs for short reach communication. Master Thesis. Chalmers University of Technology. Göteborg: Sweden, 2012. P. 9-22.

9. Guattari F., Chouvin S., Moluçon C., Lefèvre H. A Simple optical technique to compensate for excess RIN in a fiber-optic gyroscope // 2014 DGON In-ertial Sensors and Systems Symposium (ISS). P. 2-5.

10. Agilent Technologies PXA N9030A User Manual, 175 p.

References

1. Lefèvre Hervé C. The fiber optic gyroscope. Boston-London: Artech House, 2014, 407 p.

2. Aleynik A.S., Kikilich N.E., Kozlov V.N., Vlasov A.A., Nikitenko A.N. High-stable erbium superluminescent fiber optical sources creation methods. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2016, vol. 16, no. 4, pp. 593-607. doi: 10.17586/2226-1494-2016-16-4-593-607

3. Horowitz P., Hill W. The art of electronics. Cambridge: New Rochelle, 1980, 585 p.

4. Kurkov A.S. Fiber lasers: principles of construction and basic properties. Ulyanovsk: UlSU, 2012. 184 p. (In Russian).

5. Stroykov I. I., Skvortsov A. M. The usage of rare earth elements in quantum electronics, 2006, no. 29, pp. 60-66. (In Russian).

6. Karpov N. V., Manenkov A. A. Quantum amplifiers. Moscow: Radio and Communication, 1966. 234 p. (In Russian).

7. Steinschleiger V. B., Misezhnikov G. S., Lifanov P. S., Quantum microwave amplifiers (masers). Moscow: Radio and Communication, 1971. 452 p.

8. Hashemi S. E. Relative intensity noise (RIN) in high-speed, VCSELs for short reach communication. Master of Science. Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden, 2012. pp. 9-22.

9. Guattari, F., Chouvin, S., Moluçon, C., Lefevre H. A simple optical technique to compensate for excess RIN in a fiber-optic gyroscope. 2014 DGON Inertial Sensors and Systems (ISS), pp. 2-5.

10. Agilent Technologies PXA N9030A User Manual, Inc. 175 p.

RIN^. дБ/Гц

Рис. 13. Зависимость ШЫ^ от ширины полосы излучения источника М

Список литературы

Просьба ссылаться на эту статью в русскоязычных источниках следующим образом: Стариков С. С., Кель О. Л, Вольхин И. Л. Измерение шумов волоконно-оптических источников излучения // Вестник Пермского университета. Физика. 2019. № 1. С. 66-73. doi: 10.17072/1994-3598-2019-1-6673

Please cite this article in English as:

Starikov S. S., Kel O. L., Volkhin I. L. Noise measurement of fiber-optical radiation sources. Bulletin of Perm University. Physics, 2019, no. 1, pp. 66-73. doi: 10.17072/1994-3598-2019-1-66-73