Le signal optique émis par un laser à semi-conducteur présente des fluctuations d'intensité, de phase et de fréquence, même lorsqu'il est polarisé par un courant constant. Les deux principaux mécanismes de bruit sont l'émission spontanée et la recombinaison électron-trou (bruit de grenaille), l'émission spontanée étant prédominante. Chaque photon émis spontanément contribue au champ cohérent généré par émission stimulée en tant que faible composante de champ à phase aléatoire. Le taux d'émission spontanée est très élevé (environ 10¹² s⁻¹), ce qui entraîne des fluctuations d'intensité et de phase de la lumière émise sur une échelle de temps aussi courte que 100 ps. Les fluctuations de phase induisent une largeur de raie finie du laser, tandis que les fluctuations d'intensité limitent le rapport signal sur bruit (SNR).
Cette réduction du rapport signal sur bruit optique (OSNR), et l'augmentation conséquente du taux d'erreur binaire (BER), peuvent limiter considérablement la transmission des signaux analogiques et numériques. Par conséquent, pour garantir le bon fonctionnement d'une liaison de communication optique, une caractérisation précise du bruit d'intensité du laser est nécessaire afin de comparer son niveau de puissance à celui du signal et d'optimiser les performances. Dans cet article, nous aborderons les principes fondamentaux du bruit d'intensité du laser et présenterons des méthodes pour sa mesure et sa caractérisation.
Bruit d'intensité relative.
Le bruit d'intensité relative (RIN) décrit la contribution des fluctuations d'intensité du laser au bruit électrique du récepteur, par rapport à la puissance du signal électrique. Généralement, le RIN est normalisé à une bande passante de 1 Hz afin d'être indépendant de la bande passante du récepteur. Bien qu'il s'agisse d'un bruit optique (fluctuations de la puissance optique du laser), il est défini en termes de puissance électrique à la sortie du photodétecteur. Plus précisément, il est calculé comme suit :
où N représente la puissance du bruit électrique, Pf la puissance du photocourant reçu et B la largeur de bande du bruit. La valeur RIN correspondante, exprimée en dB/Hz, est ensuite calculée par la formule 10 log₁₀(·).
La figure 1 illustre le spectre de bruit RIN typique d'un laser InGaAsP à 1550 nm pour différentes puissances optiques.
Comme on peut le constater, il ne s'agit pas d'un bruit blanc, mais d'un pic d'intensité élevé à une fréquence proche de la fréquence d'oscillation de relaxation du laser. De plus, le bruit décroît rapidement pour les fréquences supérieures à cette fréquence, agissant comme un filtre passe-bande pour les fluctuations dues à l'émission spontanée.
Enfin, le RIN décroît en P⁻³ pour les faibles puissances et en P⁻¹ pour les fortes puissances.
D'après cette définition du bruit RIN, sa mesure nécessite un laser non modulé ou un instrument de laboratoire capable de mesurer les deux puissances en présence d'une modulation spécifique. Pour cette raison, la norme IEEE 802.3ae (« 10Gb/s Ethernet Task Force ») définit le RIN OMA comme le rapport entre la puissance électrique moyenne du bruit normalisée à 1 Hz et la puissance électrique moyenne d’une onde carrée :
La différence entre les deux définitions du bruit RIN est illustrée par la figure 2. Si la puissance optique moyenne est maintenue et que le taux d'extinction est très élevé, alors les deux définitions donnent pratiquement le même résultat.
Mesure du bruit RIN.
Plusieurs techniques permettent de mesurer le bruit RIN des lasers. L'une d'elles, à titre d'exemple, repose sur l'utilisation d'un oscilloscope numérique. Le dispositif testé (DUT) est alimenté par un signal carré provenant d'un générateur de modulation. Pour mesurer le RIN, la sortie du DUT est connectée directement à un oscilloscope à entrée optique, ou à un photodétecteur et un oscilloscope à entrée électrique. À partir du signal enregistré (figure 3), le niveau de bruit RIN OMA peut être calculé comme suit :
'
où N1 et N0 représentent respectivement les puissances du bruit optique de niveaux « 1 » et « 0 », et ModAmp l'amplitude de modulation. Il est possible d'effectuer la mesure en incluant un réflecteur variable dans le dispositif expérimental, simulant ainsi le scénario le plus défavorable. Il convient de noter que le niveau de bruit RIN des lasers augmente en présence de réflexions externes vers le dispositif testé.
Les résultats présentés sur la figure 3 indiquent un RIN OMA de -114,8 dB/Hz. La valeur du RIN peut être calculée directement à partir des valeurs du niveau « 1 » du signal carré. La plage dynamique de la mesure dépend de la puissance de sortie du dispositif testé, du type de conversion optique/électronique et du niveau de bruit électrique interne (principalement thermique). Par exemple, pour un module récepteur Agilent 86116C 43 Gbit/s (BN = 33 GHz), caractérisé par une puissance de bruit équivalente de -10 dBm et un niveau de puissance d'entrée optique moyen maximal de 10 dBm, il existe une plage de mesure dynamique du RIN de -143 à -119 dB/Hz.
Une autre méthode de mesure du bruit RIN utilise un analyseur de spectre électrique. La mesure consiste à analyser le spectre RF et à estimer les niveaux de bruit et de signal (continu) afin d'isoler les contributions des différentes composantes de bruit (thermique, de grenaille et RIN). Par exemple, le bruit thermique interne de l'appareil de mesure peut être estimé en annulant le signal optique d'entrée, tandis que le bruit de grenaille peut être calculé à partir de la puissance optique moyenne. La figure 4 présente un exemple de mesure effectuée avec l'instrument Agilent 71400C/71401C.
Enfin, le bruit RIN peut également être estimé à partir de mesures dans le domaine optique. Par exemple, l'instrument BOSA d'Aragón Photonics permet de mesurer le bruit RIN des lasers DFB en analysant leur spectre optique. De plus, cet instrument permet la mesure d'autres paramètres tels que le facteur d'élargissement de raie ou la fréquence de crête des oscillations de relaxation. Le montage expérimental est présenté sur la figure 5. Comme précédemment, le dispositif testé est simplement connecté à l'entrée du BOSA, et la trace du spectre optique est enregistrée. Ensuite, une courbe lorentzienne idéale est ajustée au pic d'émission du laser et soustraite de cette trace, ce qui permet d'obtenir les mesures du spectre de bruit RIN, comme illustré sur la figure 6. Dans ce cas précis, l'influence du courant de polarisation du laser sur les niveaux de bruit RIN peut être observée.
Techniques de compensation du bruit RIN.
Le bruit RIN des lasers limite la qualité des systèmes de communication optique. Selon l'application, des valeurs de RIN de l'ordre de -160 à
-130 dB/Hz sont requises. Grâce à l'instrumentation de laboratoire présentée précédemment, les niveaux de bruit RIN du système peuvent être estimés avec précision, même en présence de réflexions. Si ces valeurs ne répondent pas aux spécifications, une technique doit être employée pour en réduire les effets. Parmi les plus connues figure l'utilisation d'un photorécepteur équilibré (Figure 7). Il s'agit d'un récepteur optique intégrant deux photodétecteurs aux caractéristiques identiques et fonctionnant selon un 
schéma différentiel. Autrement dit, les signaux de sortie des deux photodétecteurs sont amplifiés différentiellement afin de doubler le niveau du signal et de compenser autant que possible le niveau de bruit. Outre le bruit RIN, ce schéma permet également de neutraliser le bruit de grenaille. Il permet ainsi d'obtenir des réductions de bruit RIN allant jusqu'à 20 dB.
