Il segnale ottico in uscita da un laser a semiconduttore presenta fluttuazioni di intensità, fase e frequenza anche quando polarizzato con una corrente costante. I due meccanismi di rumore fondamentali sono l'emissione spontanea e la ricombinazione elettrone-lacuna (rumore di shot), sebbene il primo sia dominante. Ogni fotone emesso spontaneamente contribuisce al campo coerente generato dall'emissione stimolata come una piccola componente di campo con fase casuale. Il tasso di emissione spontanea è molto elevato (circa 10¹² s⁻¹), causando fluttuazioni di intensità e fase della luce emessa su una scala temporale di soli 100 ps. Le fluttuazioni di fase determinano una larghezza di riga laser finita, mentre le fluttuazioni di intensità comportano un rapporto segnale/rumore (SNR) limitato.
Questa riduzione dell'OSNR e il conseguente aumento del BER possono limitare significativamente la trasmissione di segnali sia analogici che digitali. Pertanto, per garantire il corretto funzionamento di un collegamento di comunicazione ottica, è necessaria una caratterizzazione accurata del rumore di intensità del laser per confrontarne il livello di potenza con quello del segnale e ottimizzarne le prestazioni. In questo articolo, analizzeremo i principi di base del rumore di intensità del laser e presenteremo i metodi per la sua misurazione e caratterizzazione.
Rumore di intensità relativa.
Il rumore di intensità relativa (RIN) descrive il contributo delle fluttuazioni di intensità del laser al rumore elettrico del ricevitore rispetto alla potenza del segnale elettrico. Generalmente, il RIN viene normalizzato a una larghezza di banda di 1 Hz in modo da poter essere reso indipendente dalla larghezza di banda del ricevitore. Sebbene si tratti di rumore ottico (fluttuazioni nella potenza ottica del laser), è definito in termini di potenza elettrica all'uscita del fotorivelatore. Più specificamente, viene calcolato come:
dove N è la potenza del rumore elettrico, Pf è la potenza della fotocorrente ricevuta e B è la larghezza di banda del rumore. Il corrispondente valore RIN in dB/Hz viene quindi calcolato applicando 10log10(·).
La Figura 1 mostra lo spettro tipico del rumore RIN di un laser InGaAsP a 1550 nm per diversi valori di potenza ottica.
Come si può vedere in questa figura, non si tratta di rumore bianco, ma piuttosto presenta un picco ad alta intensità a una frequenza vicina alla frequenza di oscillazione di rilassamento del laser. Inoltre, diminuisce rapidamente per frequenze superiori alla frequenza di oscillazione di rilassamento, agendo come un filtro passa-banda per le fluttuazioni dovute all'emissione spontanea.
Infine, il RIN diminuisce come P-3 per basse potenze, diventando P-1 per alte potenze.
In base alla definizione di rumore RIN di cui sopra, la sua misurazione richiede un laser non modulato o uno strumento di laboratorio in grado di misurare entrambe le potenze in presenza di uno specifico schema di modulazione. Per questo motivo, lo standard IEEE 802.3ae ("10Gb/s Ethernet Task Force") definisce il RIN OMA come il rapporto tra la potenza elettrica media del rumore normalizzata a 1 Hz e la potenza elettrica media di un'onda quadra:
La differenza tra le due definizioni di rumore RIN è illustrata nella Figura 2. Se la potenza ottica media viene mantenuta costante e il rapporto di estinzione è molto elevato, entrambe le definizioni forniscono praticamente lo stesso risultato.
Misurazione del rumore RIN.
Diverse tecniche possono essere utilizzate per misurare il rumore RIN dei laser. Come primo esempio, una di queste si basa sull'uso di un oscilloscopio digitale. Il dispositivo in prova (DUT) viene alimentato con un segnale a onda quadra proveniente da un generatore di pattern di modulazione. Per misurare il RIN, l'uscita del DUT viene collegata direttamente a un oscilloscopio con ingresso ottico, oppure a un fotorivelatore e a un oscilloscopio con ingresso elettrico. Dalla forma d'onda acquisita (Figura 3), il livello di rumore RIN dell'OMA può essere calcolato come:
'
dove N1 e N0 sono le potenze del rumore ottico dei livelli "1" e "0", rispettivamente, e ModAmp si riferisce all'ampiezza di modulazione. Opzionalmente, la misurazione può essere eseguita includendo un riflettore variabile nella configurazione di laboratorio, modellando così lo scenario peggiore. Va notato che il livello di rumore RIN dei laser peggiora in presenza di riflessioni esterne verso il DUT.
Dai risultati in Figura 3, si ottiene un RIN OMA di -114,8 dB/Hz. Il valore RIN può essere calcolato direttamente dai valori del livello "1" del segnale a onda quadra. La gamma dinamica della misurazione dipende dalla potenza di uscita del DUT, dal tipo di conversione O/E e dal livello di rumore elettrico interno (principalmente termico). Ad esempio, per un modulo ricevitore Agilent 86116C da 43 Gbit/s (BN = 33 GHz), caratterizzato da una potenza di rumore equivalente di -10 dBm e un livello massimo di potenza ottica media in ingresso di 10 dBm, esiste un intervallo di misurazione dinamico del RIN da -143 a -119 dB/Hz.
Un altro metodo per misurare il rumore RIN utilizza un analizzatore di spettro elettrico. La misurazione prevede l'analisi dello spettro RF, la stima dei livelli di rumore e segnale (CW) per isolare i contributi delle diverse componenti di rumore (termico, di shot e RIN). Ad esempio, il rumore termico interno dell'apparecchiatura di misura può essere stimato annullando il segnale ottico in ingresso, mentre il rumore di shot può essere calcolato dalla potenza ottica media. La Figura 4 mostra un esempio di misurazione utilizzando lo strumento Agilent 71400C/71401C.
Infine, il rumore RIN può essere stimato anche da misurazioni nel dominio ottico. Ad esempio, lo strumento BOSA di Aragón Photonics consente di misurare il rumore RIN dei laser DFB analizzando il loro spettro ottico. Inoltre, questo strumento permette di misurare altri parametri come il fattore di allargamento di riga o la frequenza di picco delle oscillazioni di rilassamento. La configurazione di laboratorio è mostrata in Figura 5. Come in precedenza, il DUT viene semplicemente collegato all'ingresso del BOSA e viene acquisita la traccia dello spettro ottico. Successivamente, una curva lorentziana ideale viene adattata al picco di emissione del laser e sottratta da questa traccia, ottenendo le misurazioni dello spettro di rumore RIN come mostrato in Figura 6. In questo caso specifico, è possibile osservare l'influenza della corrente di polarizzazione del laser sui livelli di rumore RIN.
Tecniche per la compensazione del rumore RIN.
Il rumore RIN del laser limita la qualità dei sistemi di comunicazione ottica. A seconda dell'applicazione,
sono richiesti valori RIN dell'ordine di -160 a -130 dB/Hz. Grazie alla strumentazione di laboratorio presentata in precedenza, è possibile stimare con precisione i livelli di rumore RIN del sistema, anche in presenza di riflessioni. Se questi valori non soddisfano le nostre specifiche, è necessario impiegare una tecnica per ridurne gli effetti. Tra le più note vi è l'utilizzo di un fotorecettore bilanciato (Figura 7). Si tratta di un ricevitore ottico in cui sono integrati due fotorivelatori con caratteristiche identiche che operano secondo uno 
schema differenziale. In altre parole, le uscite di entrambi i fotorivelatori vengono amplificate in modo differenziale per raddoppiare il livello del segnale e compensare il più possibile il livello di rumore. Oltre al rumore RIN, questo sistema permette anche la neutralizzazione del rumore di shot. Con questo schema, è possibile ottenere riduzioni del rumore RIN fino a 20 dB.
