Der optische Träger am Ausgang eines Halbleiterlasers zeigt selbst bei konstantem Strom Schwankungen in Intensität, Phase und Frequenz. Die beiden grundlegenden Rauschmechanismen sind spontane Emission und Elektron-Loch-Rekombination (Schrotrauschen), wobei erstere dominiert. Jedes spontan emittierte Photon trägt als kleine Feldkomponente mit zufälliger Phase zum durch stimulierte Emission erzeugten kohärenten Feld bei. Die Rate der spontanen Emission ist sehr hoch (ca. 10¹² s⁻¹), wodurch Intensität und Phase des emittierten Lichts bereits im Bereich von 100 ps schwanken. Phasenschwankungen bedingen eine endliche Laserlinienbreite, während Intensitätsschwankungen das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) begrenzen.
Diese Reduzierung des optischen Signal-Rausch-Verhältnisses (OSNR) und der daraus resultierende Anstieg der Bitfehlerrate (BER) können die Übertragung analoger und digitaler Signale erheblich beeinträchtigen. Um die einwandfreie Funktion einer optischen Kommunikationsverbindung zu gewährleisten, ist daher eine präzise Charakterisierung des Laserintensitätsrauschens erforderlich, um dessen Leistungspegel mit dem Signal zu vergleichen und die Leistung zu optimieren. In diesem Artikel werden die Grundlagen des Laserintensitätsrauschens erläutert und Methoden zu dessen Messung und Charakterisierung vorgestellt.
Relatives Intensitätsrauschen.
Das relative Intensitätsrauschen (RIN) beschreibt den Beitrag von Laserintensitätsschwankungen zum elektrischen Rauschen des Empfängers im Verhältnis zur elektrischen Signalleistung. Im Allgemeinen wird RIN auf eine Bandbreite von 1 Hz normiert, um es von der Bandbreite des Empfängers unabhängig zu machen. Obwohl es sich um optisches Rauschen handelt (Schwankungen der optischen Laserleistung), wird es über die elektrische Leistung am Photodetektorausgang definiert. Genauer gesagt wird es wie folgt berechnet:
Dabei ist N die elektrische Rauschleistung, Pf die empfangene Photostromleistung und B die Rauschbandbreite. Der entsprechende RIN-Wert in dB/Hz wird anschließend mit 10log10(·) berechnet.
Abbildung 1 zeigt das typische RIN-Rauschspektrum eines InGaAsP-Lasers bei 1550 nm für verschiedene optische Leistungen.
Wie in dieser Abbildung zu sehen ist, handelt es sich nicht um weißes Rauschen, sondern um ein Intensitätsmaximum bei einer Frequenz nahe der Relaxationsfrequenz des Lasers. Zudem nimmt es bei Frequenzen oberhalb der Relaxationsfrequenz rasch ab und wirkt somit als Bandpassfilter für Schwankungen aufgrund spontaner Emission.
Schließlich sinkt der RIN-Wert bei niedrigen Leistungen proportional zu P⁻³ und bei hohen Leistungen zu P⁻¹.
Gemäß der obigen Definition des RIN-Rauschens erfordert dessen Messung einen unmodulierten Laser oder ein Laborinstrument, das beide Leistungen in Gegenwart eines spezifischen Modulationsmusters messen kann. Aus diesem Grund definiert der IEEE 802.3ae-Standard („10Gb/s Ethernet Task Force“) den RIN OMA als das Verhältnis zwischen der durchschnittlichen elektrischen Leistung des Rauschens, normiert auf 1 Hz, und der durchschnittlichen elektrischen Leistung einer Rechteckwelle:
Der Unterschied zwischen den beiden Definitionen von RIN-Rauschen wird in Abbildung 2 deutlich. Wenn die durchschnittliche optische Leistung konstant bleibt und das Extinktionsverhältnis sehr hoch ist, liefern beide Definitionen praktisch das gleiche Ergebnis.
RIN-Rauschmessung.
Zur Messung des RIN-Rauschens von Lasern stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Ein erstes Beispiel basiert auf der Verwendung eines digitalen Oszilloskops. Das Prüfobjekt (DUT) wird mit einem Rechtecksignal von einem Modulationsgenerator angesteuert. Zur RIN-Messung wird der DUT-Ausgang entweder direkt an ein Oszilloskop mit optischem Eingang oder an einen Fotodetektor und ein Oszilloskop mit elektrischem Eingang angeschlossen. Aus dem erfassten Signalverlauf (Abbildung 3) lässt sich der RIN-Rauschpegel des optischen Modulators (OMA) wie folgt berechnen:
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Dabei bezeichnen N1 und N0 die optischen Rauschleistungen der Pegel „1“ bzw. „0“, und ModAmp steht für die Modulationsamplitude. Optional kann die Messung mit einem variablen Reflektor im Laboraufbau durchgeführt werden, um so den ungünstigsten Fall zu simulieren. Es ist zu beachten, dass sich das RIN-Rauschniveau von Lasern bei externen Reflexionen zum Prüfling verschlechtert.
Aus den Ergebnissen in Abbildung 3 ergibt sich ein OMA-RIN von -114,8 dB/Hz. Der RIN-Wert kann direkt aus den Werten des Pegels „1“ des Rechtecksignals berechnet werden. Der Dynamikbereich der Messung hängt von der Ausgangsleistung des Prüflings, der Art der optischen/elektrischen Wandlung und dem internen elektrischen Rauschen (hauptsächlich thermischem Rauschen) ab. Beispielsweise ergibt sich für ein Agilent 86116C 43 Gbit/s Empfängermodul (BN = 33 GHz), das durch eine äquivalente Rauschleistung von -10 dBm und einen maximalen durchschnittlichen optischen Eingangsleistungspegel von 10 dBm gekennzeichnet ist, ein dynamischer Messbereich des RIN von -143 bis -119 dB/Hz.
Eine weitere Methode zur Messung des RIN-Rauschens verwendet einen elektrischen Spektrumanalysator. Die Messung umfasst die Analyse des HF-Spektrums und die Schätzung der Rausch- und Signalpegel (im CW-Betrieb), um die Beiträge der verschiedenen Rauschkomponenten (thermisches Rauschen, Schrotrauschen und RIN) zu isolieren. Beispielsweise kann das interne thermische Rauschen des Messgeräts durch Auslöschung des optischen Eingangssignals abgeschätzt werden, während das Schrotrauschen aus der mittleren optischen Leistung berechnet werden kann. Abbildung 4 zeigt eine Beispielmessung mit dem Agilent 71400C/71401C.
Schließlich lässt sich das RIN-Rauschen auch anhand von Messungen im optischen Bereich abschätzen. Beispielsweise ermöglicht das BOSA-Instrument von Aragón Photonics die Messung des RIN-Rauschens von DFB-Lasern durch Analyse ihres optischen Spektrums. Zusätzlich erlaubt dieses Instrument die Messung weiterer Parameter wie des Linienverbreiterungsfaktors oder der Spitzenfrequenz der Relaxationsschwingungen. Der Laboraufbau ist in Abbildung 5 dargestellt. Wie zuvor wird das Prüfobjekt (DUT) einfach an den Eingang des BOSA angeschlossen und der Verlauf des optischen Spektrums aufgezeichnet. Anschließend wird eine ideale Lorentz-Kurve an das Emissionsmaximum des Lasers angepasst und von diesem Verlauf subtrahiert. Die so erhaltenen Messungen des RIN-Rauschspektrums sind in Abbildung 6 dargestellt. In diesem speziellen Fall lässt sich der Einfluss des Polarisationsstroms des Lasers auf die RIN-Rauschpegel beobachten.
Verfahren zur Kompensation von RIN-Rauschen.
Laser-RIN-Rauschen beeinträchtigt die Qualität optischer Kommunikationssysteme. Je nach Anwendung
sind RIN-Werte im Bereich von -160 bis -130 dB/Hz erforderlich. Dank der zuvor vorgestellten Laborinstrumente lassen sich die RIN-Rauschpegel des Systems auch bei Reflexionen präzise bestimmen. Entsprechen diese Werte nicht den Spezifikationen, muss ein Verfahren zur Rauschreduzierung eingesetzt werden. Eines der bekanntesten ist die Verwendung eines symmetrischen Fotorezeptors (Abbildung 7). Dieser optische Empfänger integriert zwei Fotodetektoren mit identischen Eigenschaften und arbeitet differenziell 
. Die Ausgänge beider Fotodetektoren werden differenziell verstärkt, um den Signalpegel zu verdoppeln und das Rauschen bestmöglich zu kompensieren. Neben dem RIN-Rauschen ermöglicht dieses Verfahren auch die Neutralisierung von Schrotrauschen. Mit diesem Verfahren lassen sich RIN-Rauschreduzierungen von bis zu 20 dB erzielen.
