38 Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ /Kỹ thuật điện, kỹ thuật điện tử, kỹ thuật thông tin 64(10ĐB) 10 2022 Mở đầu Công nghệ sóng ánh sáng hiện đại đang phát triển vô cùng nhanh chóng với nhu cầu ngày càn[.]
Khoa học Kỹ thuật Công nghệ /Kỹ thuật điện, kỹ thuật điện tử, kỹ thuật thông tin DOI: 10.31276/VJST.64(10DB).38-42 Nghiên cứu phát triển hệ đo nhiễu cường độ laser tương đối băng thông rộng 40 GHz sử dụng điều khiển PID xử lý tín hiệu ESA Ngơ Hải Long*, Lưu Hồng Đạt, Trần Đình Chí, Đỗ Việt Hồng, Lê Văn Bình, Cao Khắc Thiện, Bành Quốc Tuấn Phịng Thí nghiệm nghiên cứu phát triển ứng dụng Fiber Laser, Viện Ứng dụng Công nghệ Ngày nhận 1/7/2022; ngày chuyển phản biện 5/7/2022; ngày nhận phản biện 20/7/2022; ngày chấp nhận đăng 26/7/2022 Tóm tắt: Đo kiểm, đánh giá chất lượng nguồn laser sử dụng thông tin quang đo lường xác cần thiết Nhiễu cường độ tương đối (RIN) tham số ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hệ thống cần phải đo định kỳ Nghiên cứu trình bày hệ đo RIN có độ nhạy cao, băng thông rộng (40 GHz) sử dụng cảm biến quang điện (RIN box) kiểm sốt nhiệt độ xác phân tích tín hiệu điện ESA (Electrical spectrum analyzer) Giá trị RIN xác định thông qua việc đo gián tiếp thành phần: nhiễu nhiệt (Thermal noise), nhiễu tổng hợp (Total detected noise) nhiễu điện tử (Shot noise) nguồn laser sử dụng máy phân tích phổ điện tử ESA đo vạn kỹ thuật số siêu nhạy (61/2 Digital multimeter - DMM) Kết thực nghiệm việc đo RIN nguồn laser bán dẫn phản hồi phân bố (DFB) tham khảo tương đồng giá trị RIN đo hệ thống giá trị RIN cung cấp nhà sản xuất Từ khóa: điều khiển PID, ESA, laser, nhiễu cường độ laser tương đối Chỉ số phân loại: 2.2 Mở đầu Cơng nghệ sóng ánh sáng đại phát triển vơ nhanh chóng với nhu cầu ngày tăng cao ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác Bộ truyền quang laser trở nên đặc biệt quan trọng chúng xương sống nhiều hệ thống quang học, đồng thời ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu hệ thống Một ứng dụng quan trọng mà laser đóng vai trị to lớn liên lạc cáp quang với nhu cầu tốc độ liệu tăng lên hàng ngày Ngoài ra, số ứng dụng đo cảm biến xác cần phải sử dụng laser có độ đơn sắc quang phổ cao, chuẩn trực… Tuy nhiên, nguồn laser thường xuất vấn đề thay đổi mật độ photon dẫn đến thay đổi công suất quang đầu tạo nhiễu cường độ, dao động mật độ sóng mang dẫn đến nhiễu tần số khơng ổn định bước sóng đầu gây thay đổi nhiệt độ Điều tạo dải phổ nhiễu hữu hạn cho chế độ laser ảnh hưởng trực tiếp làm giảm giá trị tín hiệu nhiễu (Signal to noise ratios - SNR) làm tăng tỷ lệ lỗi bit (Bit errors rates - BER) Do đó, nhiều ứng dụng thông tin phổ nhiễu cường độ quan tâm, đặc biệt hệ thống thông tin liên lạc truyền dẫn quang, người sử dụng cần biết đặc tính nhiễu cường độ laser ảnh hưởng tác động trực tiếp đến hiệu tốc độ truyền liệu hệ thống [1-5] Vậy nên, để tăng tốc độ liệu, cần giá trị đại diện để xác định đánh giá giá trị nhiễu cường độ RIN giá trị thường sử dụng để đánh giá nhiễu cường độ chất lượng nguồn laser [1-4, 6] Trong hệ thống analog, RIN định số SNR cần thiết để nhận tín hiệu Đối với hệ thống Digital, RIN định số BER Do đó, nhu cầu thị trường giới với thiết bị đo RIN lớn, đặc biệt nhà sản xuất nguồn laser cho thơng tin quang đo lường xác Hiện nay, có cách phổ biến áp dụng để đo RIN phương pháp trừ (Subtraction method), hiệu chuẩn nhiễu điện tử (Shot noise calibration method) hiệu chuẩn laser RIN thấp (Low - RIN laser calibration method) Trong đó, phương pháp trừ sử dụng nhiều thiết bị đo RIN thị trường như: Agilent 71400C, Agilent 71401C, Agilent N4371A Hãng Agilent hay DSA8300 Hãng Tektronix [5, 7-9] Vậy nên việc nghiên cứu, xây dựng, chế tạo thử nghiệm hệ thống đo RIN theo phương pháp trừ đem lại khả so sánh tính hệ thống so với thiết bị phổ biến giới Trong nghiên cứu này, chúng tơi trình bày hệ đo RIN có độ nhạy cao, băng thông rộng sử dụng RIN box kiểm sốt nhiệt độ xác phân tích tín hiệu điện ESA để đánh giá nhiễu RIN nguồn DFB laser tham chiếu có bước sóng 1550,12±0,1 nm Hệ thiết bị đo RIN giải pháp xác định chất lượng nguồn laser với độ xác cao chi phí thấp so với thiết bị có thị trường Nguyên lý hệ thống đo RIN, thiết bị sử dụng thực nghiệm kết đo trình bày chi tiết báo Nguyên lý hệ thống đo RIN Đo RIN phương pháp trừ Nhiễu cường độ laser chủ yếu xạ hỗn loạn bước sóng khác buồng cộng hưởng laser bên cạnh bước sóng laser Nhiễu cường độ phụ thuộc vào thông số cấu trúc buồng cộng hưởng môi trường khuếch đại laser Các điều kiện hoạt động mức phân cực tần số điều chế ảnh Tác giả liên hệ: Email: long@senac.com.vn * 64(10ĐB) 10.2022 38 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ /Kỹ thuật điện, kỹ thuật điện tử, kỹ thuật thông tin Research and development of 40 GHz bandwidth laser relative intensity noise measurement system using PID controller and ESA spectrum analyser Hai Long Ngo*, Hoang Dat Luu, Dinh Chi Tran, Viet Hoang Do, Van Binh Le, Khac Thien Cao, Quoc Tuan Banh Laboratory for Optical Fiber Laser Research Development and Application, National Center for Technological Progress Received July 2022; accepted 26 July 2022 Abstract: Measuring and evaluating the quality of laser sources used in optical communications and in the precision measurement system is essential Relative intensity noise (RIN) is a parameter that directly affects the system quality Therefore, RIN needs to be measured periodically This study presents a high-sensitivity, broadband (40 GHz) RIN measurement system using a precisely temperature-controlled photodetector and an electrical spectrum signal analyser RIN value is determined through indirect measurement of noise components: thermal noise, total detected noise, and the shot noise of the laser source These noises are measured by using an Electrical spectrum analyser (ESA) and a super sensitive 61/2 digital multimeter (DMM) The experimental results of the RIN measurement of the reference Distributed feedback (DFB) laser source show the similarity between the RIN value measured by the system and the RIN value provided by the manufacturer đó: NL(f) cơng suất nhiễu cường độ laser Hz; Nq công suất nhiễu điện tử Hz; Nth(f) công suất nhiễu nhiệt Hz Xét với loại nhiễu, ta xác định giá trị chúng theo phương pháp thiết bị khác Đầu tiên, nhiễu nhiệt thể theo nhiều cách thường mô tả hệ số nhiễu biểu thị dB, thông thường lớn so với giới hạn nhiệt độ phòng -174 dBm/Hz [1, 4, 6] Khi hệ thống xử lý tín hiệu quang học, khuếch đại thiết bị điện tử kèm theo diode quang vận hành tạo nhiễu nhiệt Theo công thức (1), laser tắt hay khơng có tín hiệu, ta có giá trị Nq=NL(f)=0 Vậy nên, giá trị nhiễu nhiệt xác định ESA tắt laser đầu vào Giá trị nhiễu nhiệt Nth xác định theo theo công thức sau [1, 4-6]: NT =Nth (L-off) (2) Khi bật nguồn laser cấp tín hiệu quang học đầu vào, cảm biến hoạt động ổn định, nhiễu nhiệt thường không thay đổi Các photon đến cảm biến tính tốn thu tín hiệu liên quan gây nhiễu điện tử Do đó, nhiễu điện tử Nq xuất cảm biến quang học tăng theo tỷ lệ thuận với công suất quang học thu cảm biến Nó xác định phép đo cường độ dòng cảm biến [1, 4, 5]: Nq=2.q.Idc.RL (3) đó: q điện tích electron (1,6x10-19 Coulomb); Idc cường độ dịng điện khỏi diode theo cơng suất quang trung bình thu vào từ cảm biến theo điện trở tải RL Idc xác định cách đo cơng suất quang trung bình P0 đến cảm biến quang sau: Idc=r.P0 (4) đó:nhiên, rnhiên, độ nhạy cảm biến quang Tuy vìcócó tổn hao phầncắm cắmsợi sợiquang quang(nếu (nếusửsửdụng dụngfib f Tuy sựsựbộ tổn hao ởphần Keywords: ESA, laser, PID controller, relative intensity Tuy nhiên, có tổn hao phần cắm sợi quang (nếu sử dụng f Tuy nhiên, có tổn hao phần cắm sợi quang (nếu sử dụng fib Tuy nhiên, có tổn hao phần cắm sợi quang (nếu sử dụng fib Tuyquang nhiên, vìtác cóđộng tổnlên hao ởcảm phần cắmchỉ sợi quang (nếu sửđịnh dụng noise côngsuất suất quangtác động lêncảm biến chỉđược đượcxác xácđịnh xấpxỉ,xỉ,nên nêncôn cô công biến xấp fiber) lượngtác công suấtlên quang tácbiến động lên cảm biến công suấtvà quang tácđộng động lêncảm cảm biếnchỉ chỉđược xácchỉ định xấpxỉ, xỉ,nên nêncôn cô công suất quang xác định xấp công suất quang tác động lên cảm biến xác định xấp xỉ, nên côn Classification number: 2.2 phải xác định gián tiếp cách đo điện áp U trênđiện điệntrở trởđầu đầ P0P0phải xác định gián tiếp cách đo điện áp U out xác định xấp xỉ, nên công suất quang P0 phải xác định out gián Tuy nhiên, có tổn hao phần cắm sợi quang (nếu sử dụng f phải xác định gián tiếp cách đo điện áp U điện trở đầ PP0P0phải xác định gián tiếp cách đo điện áp U điện trở đầu xác định gián tiếp cách đo điện áp U điện trở đầu 0phải out out out tiếp bằngUcách Uoutđo điện áp Uout điện trở đầu out P0P0==UUout U out out r.R quang out tác động lên cảm biến xác định xấp xỉ, nên cô out hưởng trực tiếp đến độ nhiễu Sự tác động từ bên ngồi phản cơngPPsuất ==r.R (5) 0P 00= r.R r.R r.R out out out xạ ngược tia laser làm tăng nhiễu Nhiễu cường độ laser P0 phải Thay phương trình (4) (5) vào (3) ta được: Thay phương trình (4) (5) vào (3) ta được: xác định gián tiếp cách đo điện áp Uout điện trở đầ Thay phương trình (4)(4) (5) vào (3) ta(3) được: Thayphương phương trình (4)và và(5) (5)vào vào (3)tatatađược: được: Thay trình Thay phương trình (4) (5) vào (3) được: đạt cực đại điểm cộng hưởng Trong thực tế, nguồn nhiễu RLRL Uout q.UU NN Pq0q===2.2.q phụ khác từ linh kiện điện tử thêm vào nhiễu cường độ (6) outRRR out L L RLR r.R out out out N = q U N = q U N = q U q out q out q out laser Các nguồn nhiễu phụ thường dòng tối (Dark current) R Rout out out Cuối giá trịRtrình độ nhiễu tổng(5) thểvào NT đođược: ESA có Thaycùng, phương (4) (3)Nta Cuối cùng, giátrịtrịđộđộ nhiễu tổngthể thể N đượcđođobằng bằngESA ESAcócóbật bậ cùng, giá nhiễu tổng T Tđược từ cảm biến quang, nhiễu nhiệt từ thành phần điện bậtCuối laser Nhiễu nhiệt N nhiễu điện tử N làđo kết Cuốicùng, cùng,giá giátrị trịthđộ độnhiễu nhiễutổng tổngthể thể đobằng bằngESA ESAcó cóbật bậ Cuối Cuối cùng, giá trị độ nhiễu tổng thể NN đo ESA có bật TTTđược qN khuếch đại, thiết bị ESA nguồn nhiễu khác xuất phát từ Rtử LN nhiệt nhiễu điện N lần lượtvào kếtquả quảtrình củacác cáctaphương phương trình(2) (2 nhiệt NN nhiễu điện tử lượt làlàkết trình phương trình (2) Thay phương (1) thvà qlần th q (6) Ncác = q U q out R nhiệt vàgiá nhiễu điện tửNNN kết phươngtrình trình(2) (2 nhiệt NNN nhiễu điện tử lượt nhiệt nhiễu điện tử làlàkết kết phương trình (2) chất lượng tử ánh sáng nhiễu điện tử Một hệ thống thu quang th qđộ ththvà q qlần out thu trị nhiễu cường laser NL theo biểu thức liên hệ phương sau: vào phương trình (1) thuđược đượcgiá giátrịtrịnhiễu nhiễucường cườngđộđộlaser laserNN theob vào phương trình (1) tatasẽsẽthu L Ltheo điển hình bao gồm photodetector (PD) khuếch đại, cùng, giá trị độ tổng thể NT cường đo ESA có bậ vàophương phương trình (1) thunhiễu đượcgiá giátrị trị nhiễu cường độ laser theo vào trình (1) tatata(f) nhiễu độ laser NNN theo bb vào phương trình (1) sẽsẽthu thu giá trị nhiễu cường độ laser theo LLL NCuối (f)=N (f)-N -N (7) T q th nhiễu đo đầu máy thu tổng nguồn nhiễu sau: L hệhệsau: nhiệt N nhiễu điện tử Nq kết phương trình (2 hệ sau: hệ sau: hệ sau: th thực nêu [1] Tổng công suất nhiễu hệ thống NT(f) tính Hệ nghiệm đo RIN (Lf()f)==NN (Tf()f)−−NN N (f) N NN (f) L T q q−− thth tốn giá trị tuyến tính tổng hợp nguồn nhiễu này: (fsơ ))f)−− vào phương trình ta thu giá Theo trị nhiễu cườngtôiđộ N =NNN −NNhệ N −NNN (f) NNHình −− (f) f))f1)== (f) mơ tả(T(f(1) đồ thống đo RIN đó, chúng sử laser NL theo LL(L(f( TT qqq th thth Hệ thực nghiệm đo RIN Hệ thực nghiệm đo RIN dụng thiết bị đo ESA DMM để đo nhiễu nhiệt Nth, nhiễu điện NT(f)=NL(f)+Nq+Nth(f) (1) hệ sau: Hệthực thựcnghiệm nghiệmđo đoRIN RIN Hệ Hệ thực nghiệm đo RIN Hình1 1mơ mơtảtảsơsơđồđồhệhệthống thốngđođoRIN RIN.Theo Theođó, đó,chúng chúngtơitơisửsửdụng dụng Hình )11= (sơ )sơ N Ntả fsơ −đồ Nhệ −thống N Hình mơ tả đồ hệ thống đoRIN RIN.Theo Theođó, đó,chúng chúngtơi tơisử sửdụng dụng Hình mơ đo Hình mơ đồ thống đo RIN Theo đó, sử dụng L (f1 Ttả qhệ th (f) ESAvàvàDMM DMMđểđểđođonhiễu nhiễunhiệt nhiệtNN , nhiễuđiện điệntửtửNN vànhiễu nhiễutổng tổngthể th ESA th,thnhiễu q qvà Hệ thực nghiệm đo RIN ESA DMM để đo nhiễu nhiệt N , nhiễu điện tử N nhiễu tổng th ESA DMM để đo nhiễu nhiệt N nhiễu điện tử N nhiễu tổng thể ESA DMM để đo nhiễu nhiệt N , nhiễu điện tử N nhiễu tổng thể thth,th qq qvà 39 64(10ĐB) 10.2022 phươngpháp pháptrình trìnhnêu nêutrên trên.Chúng Chúngtơitơithiết thiếtkế, kế,chế chếtạo tạomột mộtRIN RINbox boxđểđểth phương Hình 1trình mơnêu tảnêu sơ đồ Chúng hệ thống đo RIN Theo đó, chúng tơibox sử để dụng phươngpháp pháptrình trình Chúng thiết kế, chếtạo tạomột mộtRIN RIN box đểth phương thiết kế, chế phương pháp nêu Chúng thiết kế, chế tạo RIN box để t nguồnlaser lasercần cầnđođovàvàchuyển chuyểnvềvềcác cácthiết thiếtbịbịđo đo.Một Mộtbộbộbiến biếnđổi đổiquang quang nguồn ESA laser DMM để đo nhiễu nhiệt Nththiết , thiết nhiễu điện tử N nhiễu tổng thđ nguồn laser cầnđo đovà vàchuyển chuyển vềcác đo.Một Một biến đổiquang quang nguồn cần bị biến đổi nguồn laser cần đo chuyển thiết bịbịđo đo Một biến đổi quang q Khoa học Kỹ thuật Công nghệ /Kỹ thuật điện, kỹ thuật điện tử, kỹ thuật thông tin tử Nq nhiễu tổng thể NT theo phương trình nêu Chúng thiết kế, chế tạo RIN box để thu tín hiệu từ nguồn laser cần đo chuyển thiết bị đo Một biến đổi quang điện (PD) có mức noise thấp, băng thơng rộng sử dụng Đây linh kiện quan trọng định chất lượng hệ thống đo RIN PD cần hoạt động điều kiện ổn định nhiệt độ cao cách ly nhiễu điện từ trường để không gây ảnh hưởng đến hiệu suất biến đổi quang điện Tín hiệu ESA qua khuếch đại tín hiệu (RF Amp) cáp RF trước xử lý hiển thị ESA để xác định nhiễu nhiệt Nth nhiễu tổng thể NT Bên cạnh đó, giá trị nhiễu điện tử tính thơng qua giá trị cường độ dịng PD Giá trị dịng xác định theo cơng thức (4 5) từ điện áp trở đầu DMM sau lấy từ RIN box qua rơ le ngưỡng dòng (Current monitor) Các cảm biến PD khuếch đại RF Amp ổn định nhiệt thiết bị kiểm soát nhiệt độ PID số (PID temperature control) PD sử dụng thiết bị RIN box cần đặt hộp cách ly nhiễu sóng điện từ (EMI box) để loại bỏ ảnh hưởng sóng điện từ (Electromagnetic interference - EMI) từ mơi trường tác động đến chuyển đổi quang điện Các thiết bị kết nối EMI box cần phải thông qua EMI filter để loại bỏ nhiễu từ thiết bị kết nối với RIN box Fiber collimator Fiber coupler Single mode fiber DFB laser driver DFB Laser Free space isolator Optical Attenuator 6½ digital multimeter Thực nghiệm Hệ thống đo RIN Hình mơ tả ngun mẫu hệ thống đo thử nghiệm RIN Theo đó, chúng tơi sử dụng FRL15DCWD-A81-19340 DFB laser Furukawa Electric Company Ltd làm nguồn phát laser để đo kiểm Nguồn laser có bước sóng 1550,12±0,1 nm, cơng suất đầu tối thiểu 10 mW thông số RIN cường độ suy hao công suất trở lại (Optical return loss) 1-40 GHz) có độ nhạy cao, băng thơng rộng sử dụng RIN box kiểm sốt nhiệt độ xác phân tích tín hiệu điện ESA để đánh giá nhiễu nguồn DFB laser bước sóng 1550,12±0,1 nm Kết đo thu với giá trị trung bình -143,31 dB/Hz với độ lệch chuẩn 5,22 chứng minh nguồn DFB laser sử dụng đảm bảo giá trị nhiễu cường độ theo thông số nhà sản xuất cung cấp Tuy nhiên, trình thực nghiệm chế tạo hệ thiết bị, chúng tơi nhận thấy hệ cịn giá trị nhiễu không mong muốn tần số ≈245 MHz gây khó khăn đo nhiễu cường độ dải tần số thấp (1 -40 GHz) có độ nhạy cao, băng thông rộng sử dụng RIN box kiểm sốt nhiệt độ xác phân tích tín hiệu. .. qvà Hệ thực nghiệm đo RIN ESA DMM để đo nhiễu nhiệt N , nhiễu điện tử N nhiễu tổng th ESA DMM để đo nhiễu nhiệt N nhiễu điện tử N nhiễu tổng thể ESA DMM để đo nhiễu nhiệt N , nhiễu điện tử N nhiễu. .. Hình mơ đo Hình mơ đồ thống đo RIN Theo đó, chúng tơi sử dụng L (f1 Ttả qhệ th (f) ESAvàvàDMM DMMđểđ? ?đo? ?onhiễu nhiễunhiệt nhiệtNN , nhiễu? ?iện điệntửtửNN v? ?nhiễu nhiễutổng tổngthể th ESA th,thnhiễu