Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2023, № 8 · PHYSICAL PROBLEMS OF ELECTRONICS

Measurement of Phase and Amplitude Noise of Semiconductor Lasers. Measurement technique. Calibration. Results

A.S. Luchinin1, I.V. Malygin1

1 Uralb Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin, Ekaterinburg, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2023.8.2 UDC 681.787:681.785 EDN LMIFGW

Abstract

The application of the frequency detector method for measuring the phase noise spectrum of semiconductor lasers has been experimentally demonstrated. The frequency detector is based on an unbalanced Mach-Zehnder interferometer and a photodetector. Analytical relations are obtained that allow one to choose the parameters of the Mach-Zehnder interferometer and perform experimental calibration of the measuring system. A technique is proposed for measuring the spectral components of the phase noise of lasers in the presence of a slow drift of the delay in fiber-optic lines and the frequency of the laser under study. The results of measuring the phase noise of a low-noise DX-1 laser module and high-noise laser diodes LSDLD155 (DFB) and LSFLD155 (FP) are presented. A strong correlation between the amplitude and phase noise levels of these lasers is found. The decisive influence of the noise of LSDLD155 and LSFLD155 lasers on the level of phase noise of optoelectronic (OE) microwave generators built using them is shown. It has been suggested that the low-noise laser module DX-1, which has a phase noise level 20-60 dB lower (in different parts of the spectrum), is not decisive in the level of phase and amplitude noise of an optoelectronic microwave generator. The investigated OE generator was built during the research in this work. The generator has low phase noise: -120 dBc/Hz at a frequency detuning of 10 kHz. Oscillation frequency 6.8 GHz; fiber optic delay line length 200 m.

  • laser
  • Mach-Zehnder interferometer
  • optoelectronic microwave oscillator
  • phase noise
  • amplitude noise
  • measurement technique
  • calibration
Аннотация (на русском)

Измерение фазовых и амплитудных шумов полупроводниковых лазеров. Методика измерений. Калибровка. Результаты

Экспериментально продемонстрировано применение метода частотного детектора для измерения спектра фазового шума полупроводниковых лазеров. Частотный детектор реализован на основе разбалансированного интерферометра Маха Цендера и фотодетектора. Получены аналитические соотношения, позволяющие выбирать параметры интерферометра Маха Цендера и выполнять экспериментальным путем калибровку измерительной системы. Предложена методика измерения спектральных составляющих фазового шума лазеров при наличии медленного дрейфа задержки в оптоволоконных линиях и частоты исследуемого лазера. Приведены результаты измерения фазового шума малошумящего лазерного модуля DX-1 и сильно шумящих лазерных диодов LSDLD155 (DFB) и LSFLD155 (FP). Обнаружена большая корреляция уровней амплитудного и фазового шума названных лазеров. Показано определяющее влияние шумов лазеров LSDLD155 и LSFLD155 на уровень фазового шума оптоэлектронных (ОЭ) СВЧ генераторов, построенных с их применением. Выдвинуто предположение, что малошумящий лазерный модуль DX-1, имеющий уровень фазового шума на 20-60 дБ ниже (на разных участках спектра), не является определяющим в уровне фазового и амплитудного шума оптоэлектронного СВЧ генератора. Исследуемый ОЭ генератор построен при выполнении исследований в настоящей работе. Генератор обладает низким уровнем фазового шума: -120 дБн/Гц на отстройке 10 кГц. Частота колебаний 6,8 ГГц; длина оптоволоконной линии задержки 200 м.

For citation

Luchinin A.S., Malygin I.V. Measurement of Phase and Amplitude Noise of Semiconductor Lasers. Measurement technique. Calibration. Results // Journal of Radio Electronics. – 2023. – No. 8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.8.2

References

  1. Paschotta R. Noisein Laser Technology. Part 1: Intensity and Phase Noise. Optik & Photonik. 2009. №2. P.48-50. https://doi.org/10.1002/opph.201190028
  2. Llopis O., Bailly G., Bougaud A., Fernandez A. Experimental Investigations on Lasers FM and AM Noise. 2020 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium and International Symposium on Applications of Ferroelectrics (IFCS-ISAF). 2020. Hal-02975526. https://doi.org/10.1109/IFCS-ISAF41089.2020.9234819
  3. Жалуд В., Кулешов В.Н. Шумы в полупроводниковых устройствах. Москва, Советское радио. 1977. 416 с.
  4. Leeson D.A Simple Model of Feedback Oscillator Noise Spectrum. IEEE Proceedings. 1966. V.54. №2. P.329-332. https://doi.org/10.1109/PROC.1966.4682
  5. Abdallah Z. Microwave Sources Based on High Quality Factor Resonators: Modeling, Optimization and Metrology. Université Paul Sabatier. Дата обращения: 20.04.2023. https://theses.hal.science/tel-01445614v2/document
  6. Борцов А.А. Лазерный оптоэлектронный автогенератор с малым уровнем спектральной плотности мощности фазового шума. Нелинейный мир. 2011. Т.9. №6. С.359-368.
  7. Фомиряков Э.А., Харасов Д.Р., Никитин С.П., Наний О.Е., Трещиков В.Н. Влияние фазовых шумов лазера на чувствительность когерентных рефлектометров Рэлея с усреднением сигнала. Фотон-экспресс. 2021. №6. С.252-253. https://doi.org/10.24412/2308-6920-2021-6-252-253
  8. Llopis O., Merrer P.H., Brahimi H., Saleh K., Lacroix P. Phase Noise Measurement of a Narrow Linewidth CW Laser Using Delay Lines Approaches. Optics Letters. 2011. №36(14). P.2713-2715. https://doi.org/10.1364/OL.36.002713
  9. Zhou Q., Qin J., Xie W., Liu Z., Tong Y., Dong Y., Hu W. Dynamic Frequency-Noise Spectrum Measurement for a Frequency Swept DFB Laser with Short-Delayed Self-Heterodyne Method. Optics Express.2015. V.23. №22. P.29245-29257. https://doi.org/10.1364/OE.23.029245
  10. Пнев А.Б., Борисова А.В., Денисова Я.А., Степанов К.В., Жирнов А.А., Чернуцкий А.О. Минимизация погрешности измерения фазовых шумов узкополосного лазера c помощью интерферометра Маха-Цендера на основе волокна с сохранением поляризации. Измерительная техника.2018. №5. С.37-42.
  11. Скворцов М.И., Фомиряков Э.А., Трещиков В.Н., Никитин С.П., Вольф А.А., Власов А.А., Достовалов А.В. Сравнительный анализ методов измерения спектральных ширин волоконных лазеров с распределенной обратной связью. Прикладная фотоника. 2020. Т.7. №2. С.102-112.
  12. Киреенков А.Ю. Волоконно-оптические интерферометрические методы для построения измерительных систем на основе поверхностно-излучающего лазера. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики. Санкт-Петербург. 2017. 155с. http://fppo.ifmo.ru/?pagel=16&page2=52&page_d=l&page_d2=145788
  13. Лучинин А.С., Малыгин И.В., Журавлев А.А., Струк В.К. Источники шума в оптоэлектронных СВЧ автогенераторах. СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии.2021. №3. С.427-428.
  14. Лучинин А.С., Малыгин И.В. Исследование источников шумов в оптоэлектронном СВЧ генераторе на основе оптической линии задержки. Фотон-экспресс. 2021. №6(174). С.188-189. https://doi.org/10.24412/2308-6920-2021-6-188-189
  15. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. Москва, Наука. 1973. 228 с.
  16. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов для студентов радиотехнических специальностей. Москва. Высшая школа. 1988. 448 с.
  17. Малахов А.Н. Флуктуации в автоколебательных системах. Москва. Наука. 1968. 660 с.
  18. Walls F.L., Demarchi A. RF Spectrum of a Signal after Frequency Multiplication; Measurement and Comparison with a Simple Calculation. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 1975. V.24. №3. P.210-217. https://doi.org/10.1109/TIM.1975.4314411
  19. Sullivan D.B., Allan D.W., Howeand D.A., Wallsin F.L. Characterization of Clocks and Oscillators. NIST Technical Note 1337. National Institute of standards and Technology. U.S. Department of Commerce. Дата обращения: 20.04.2023. https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/TN/nbstechnicalnote1337.pdf
  20. Tran M.A., Huang D., Bowers J.E. Tutorial on Narrow Linewidth Tunable Semiconductor Lasers Using Si/III-V Heterogeneous Integration. APL Photonics.2019. V.4. №11. P.1-19. https://doi.org/10.1063/1.5124254
  21. Chen Y., Blauvelt H. Laser Linewidth, Frequency Noise and Measurement. EMCORE Corporation. Дата обращения: 20.04.2023. https://emcore.com/wp-content/uploads/2021/04/EMCORE-Laser-Linewidth-Frequency-Noise-and-Measurement.pdf
  22. 1550 nm NLW LASER EP1550-NLW-B-100. Eblana Photonics Ltd. Дата обращения: 20.04.2023. https://eblana photonics.com/wp-content/uploads/2020/11/EP1550-NLW-B-100.pdf
  23. Cahill J.P., Zhou W., Menyuk C.R. Additive Phase Noise of Fiber-Optic Links Used in Photonic Microwave-Generation Systems. Applied Optics.2017. V.56. №3. P.B18-B25.https://doi.org/10.1364/AO.56.000B18
  24. Volyanskiy K., Chembo Y.K., Larger L., Rubiola E. Contribution of Laser Frequency and Power Fluctuations to the Microwave Phase Noise of Optoelectronic Oscillators. Journal of Lightwave Technology. 2010. V.28. №18. P.2730-2735.https://doi.org/10.1109/JLT.2010.2064230