radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2020-23-1-52-62radioelectronics-402Research ArticleРАДИОФОТОНИКАMICROWAVE PHOTONICSСтатистическая модель гомодинного акустооптического спектроанализатораStatistic Model of Homodyne Acousto-Optic Spectrum Analyzerhttps://orcid.org/0000-0003-2332-7826АроновЛ. А.AronovL. A.

Аронов Леонид Андреевич – магистр техники и технологии по направлению "Телекоммуникации" (2006), старший преподаватель кафедры теоретических основ радиотехники 

Автор 20 научных работ. Сфера научных интересов – оптическая обработка информации. 

ул. Профессора Попова, д. 5, Санкт-Петербург, 197376

Leonid A. Aronov, Master’s Degree in Telecommunications (2006), Senior Lecturer of the Department of Theoretical Bases of Radioengineering 

The author of 21 scientific publications. Area of expertise: optical information processing.

5 Professor Popov Str., St Petersburg 197376

aronov.tor@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-4960-2232ДоброленскийЮ. С.DobrolenskyYu. S.

Доброленский Юрий Сергеевич – кандидат физико-математических наук по специальности "Радиофизика" (2008), старший научный сотрудник 

Автор более 60 научных работ. Сфера научных интересов – акустооптика, физическая оптика, радиофизика, физика колебаний, физика атмосферы, космическое приборостроение, физика планет. 

ул. Профсоюзная, д. 84/32, г. Москва, 117997

Yurii S. Dobrolenskii, Cand. Sci. (Phys.-Math.) (2008), Senior Researcher

The author of 60 scientific publications. Area of expertise: acousto-optics; physical optics; radio physics; fluctuation physics; atmospheric physics; space engineering; physics of planets. 

84/32 Profsoyuznaya Str, Moscow 117997

dobrolenskiy@iki.rssi.ruКулакГ. В.KulakG. V.

Кулак Геннадий Владимирович – доктор физико-математических наук (2003), профессор (2011), член Нью-Йоркской академии наук (1996), профессор кафедры физики и математики 

Автор более 210 научных работ. Сфера научных интересов – акустооптика гиротропных монокристаллов и оптических волноводов; оптоакустика конденсированных сред.

ул. Студенческая, д. 28, г. Мозырь, 247777

Gennadii V. Kulak, Dr. Sci. (Phys.-Math.) (2003), Professor (2011), Member of New York Academy of Sciences (1996), Professor of the Department of Physics And Mathematics

The author of 210 scientific publications. Area of expertise: acousto-optics of gyrotropic single crystals and optical waveguides; optoacoustics of condensed matter. 

28/1 Studencheskaya Str., Mozyr 247760

g.kulak57@mail.ruСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint-Petersburg Electrotechnical University "LETI"Russian FederationИнститут космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН)РоссияSpace Research Institute of the RASRussian FederationМозырский государственный педагогический университет им. И. П. ШамякинаБеларусьMozyr State Pedagogical University named after I. P. ShamyakinBelarus2020280220202315262Copyright © Аронов Л.А., Доброленский Ю.С., Кулак Г.В., 20202020Аронов Л.А., Доброленский Ю.С., Кулак Г.В.Aronov L.A., Dobrolensky Y.S., Kulak G.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/402Введение

Введение. Интерференционные схемы акустооптических спектроанализаторов были разработаны для увеличения динамического диапазона за счет формирования амплитудного спектра исследуемого сигнала вместо спектра мощности. Предполагалось, что это позволит удвоить динамический диапазон, выраженный в децибелах. В настоящей статье показано, что это теоретически невозможно и ожидания, связанные с переходом к интерференционным схемам, завышены.

Цель работы

Цель работы. Анализ шумовых характеристик гомодинного акустооптического спектроанализатора (ГАОСА), оценка отношения сигнал/шум и динамического диапазона на выходе устройства.

Материалы и методы

Материалы и методы. Представлена математическая модель описания работы ГАОСА с учетом формирования квадратурных компонентов для получения амплитудного спектра входного сигнала. Модель учитывает дробовые шумы и шумы, возникающие при считывании заряда.

Результаты

Результаты. Показано, что использование интерферометрической схемы не позволяет достичь двукратного выигрыша (при измерении в децибелах) в динамическом диапазоне по сравнению с простой схемой акустооптического спектроанализатора с пространственным интегрированием. Коэффициент увеличения динамического диапазона составляет не более 1.35 дБ. С учетом специфики работы акустооптических устройств получено выражение для оценки динамического диапазона спектроанализатора по интермодуляционным искажениям третьего порядка. Определяющим фактором при этом является нелинейность акустооптического взаимодействия. Показано, что при типовых параметрах узлов устройства динамический диапазон по интермодуляционным искажениям включает в себя односигнальный динамический диапазон. Представлено выражение для оценки отношения сигнал/шум.

Заключение

Заключение. Односигнальный динамический диапазон ГАОСА определяется в первую очередь уровнем заряда насыщения фотоприемника. При макетировании необходимо решать вопрос оптимального соотношения обоих параметров с учетом мощности источника излучения, эффективности дифракции в акустооптическом модуляторе и заряда насыщения фотоприемника. Представленная статистическая модель ГАОСА с фотоприемником с накоплением дает более точную оценку динамического диапазона с ошибкой в 1 дБ.

Introduction

Introduction. Acousto-optic spectrum analyzers interferometric schemes have been developed to increase dynamic range. It was assumed that dynamic range, expressed in dB, would double. An expected increase was not achieved yet.

Aim

Aim. To analyze the homodyne acousto-optic spectrum analyzer noise characteristics, to estimate the signal-tonoise ratio and the dynamic range.

Materials and methods

Materials and methods. A mathematical model was compiled which took into account the need to form quadrature components to obtain an amplitude spectrum of an input signal, shot noise and readout noise.

Results

Results. An interferometric scheme did not allow to achieve dynamic range doubling compared to an acoustooptical power spectrum analyzer. The dynamic range increase was less than 1.35 dB. Constant illumination led to a significant increase of the spectrum analyzer self-noise due to shot noise, compared to which thermal noise and readout noise became insignificant. The spurious-free dynamic range estimation expression was obtained. It was prior determined by acousto-optic interaction nonlinearity. With typical analyzer blocks parameters the spurious-free dynamic range covered a single-signal dynamic range. Signal-to-noise ratio estimation expression was presented.

Conclusion

Conclusion. The homodyne acousto-optic spectrum analyzer single-signal dynamic range is determined primarily by the photosensor saturation charge. One needs to optimize their relation by taking into account light source power, acousto-optical modulator diffraction efficiency and photosensor saturation charge. Presented noise model gives more accurate estimation of the dynamic range with an error of 1 dB.

гомодинный акустооптический спектроанализатординамический диапазонинтермодуляционные искаженияотношение сигнал/шумhomodyne acousto-optic spectrum analyzerdynamic rangeintermodulationdistortionssignal-tonoise ratioReferencesA 3 GHz Instantaneous Bandwidth Acousto-Optical Spectrometer with 1 MHz Resolution / M. Olbrich, V. Mittenzwei, O. Siebertz, F. Schmulling, R. Schieder // Proc. of 18th Intern. Symp. on Space Terahertz Technology, 21–23 March 2007, Pasadena, California. P. 231–235. URL: https://hobbydocbox.com/Radio/95227070-A-3-ghz-instantaneous-bandwidth-acousto-optical-spectrometer-with-1-mhz-resolution.html (дата обращения 16.01.2020).Olbrich M., Mittenzwei V., Siebertz O., Schmulling F., Schieder R. A 3 GHz Instantaneous Bandwidth AcoustoOptical Spectrometer with 1 MHz Resolution. Proc. of 18th Intern. Symp. on Space Terahertz Technology, 21–23 March 2007, Pasadena, California, pp. 231–235. Available at: https://hobbydocbox.com/Radio/95227070-A-3-ghz-instantaneous-bandwidth-acousto-optical-spectrometer-with-1- mhz-resolution.html (accessed 16.01.2020).Acousto-Optical Spectrometers for THz Heterodyne Instruments / O. Siebertz, R. Schieder, C. Gal, M. Olbrich, P. Hartogh. Proc. SPIE. 4857. 2003. Vol. 56.Siebertz O., Schieder R., Gal C., Olbrich M., Hartogh P. Acousto-Optical Spectrometers for THz Heterodyne Instruments. Proc. SPIE. 4857, 2003, vol. 56.Vander Lugt A. Interferometric spectrum analyzer // App. Opt. 1981. Vol. 20, iss. 16. P. 2770–2779. doi: 10.1364/AO.20.002770Vander Lugt A. Interferometric Spectrum Analyzer. App. Opt. 1981, vol. 20, iss. 16, pp. 2770–2779. doi: 10.1364/AO.20.002770Wiley W. A., Gatenby P. V. Theoretical Study of the interferometric Bragg-cell Spectrum Analyzer // IEE Proc. J. Optoelectronics. 1986. Vol. 133, iss. 1. P. 47–59. doi: 10.1049/ip-j.1986.0007Wiley W. A., Gatenby P. V. Theoretical Study of the interferometric Bragg-cell Spectrum Analyzer. IEE Proc. J. Optoelectronics. 1986, vol. 133, iss. 1, pp. 47–59. doi: 10.1049/ip-j.1986.0007Tinoco A. F. S., Perrella W. J., Alves F. D. P., Oliveira J. E. B. Computer aided Design of Bragg Cell Spectrum Analyzer // Proc. of the 2001 SBMO/IEEE MTT-S Intern. Microwave and Optoelectronics Conf. Belem, Brazil, Brazil, 6–10 Aug. 2001. Vol. 1. P. 13–16. doi: 10.1109/SBMOMO.2001.1008708Tinoco A. F. S., Perrella W. J., Alves F. D. P., Oliveira J. E. B. Computer aided Design of Bragg Cell Spectrum Analyzer. Proc. of the 2001 SBMO/IEEE MTT-S Intern. Microwave and Optoelectronics Conf. Belem, Brazil, Brazil, 6–10 Aug. 2001, vol. 1, pp. 13–16. doi: 10.1109/SBMOMO.2001.1008708Грачев С. В., Рогов А. Н., Ушаков В. Н. Гомодинный акустооптический анализатор спектра с пространственным и временным интегрированием // Радиотехника. 2003. Вып. 4. С. 23–28.Grachev S. V., Rogov A. N., Ushakov V. N. Homodyne Acousto-Optic Spectrum Analyzer with Spatial and Temporal Integration. Radioengineering, 2003, vol. 4, pp. 23–28. (In Russ.)Saleh B. E. A., Teich M. C. Fundamentals of Photonics. 2nd ed. Hoboken, NJ: Wiley Interscience, 2007. 1177 p.Saleh B. E. A., Teich M. C. Fundamentals of Photonics. 2nd ed. Hoboken, N.J., Wiley Interscience, 2007, 1177 p.Акустооптические процессоры спектрального типа / под ред. В. В. Проклова, В. Н. Ушакова. М.: Радиотехника, 2012. 192 с.Akustoopticheskie protsessory spektral'nogo tipa [Acousto-Optical Spectral-Type Processors]. Ed. by V. V. Proklov, V. N. Ushakov. Moscow, Radiotekhnika, 2012, 192 p. (In Russ.)Аронов Л. А., Ушаков В. Н. Метод формирования квадратурных компонентов спектра в гомодинном акустооптическом спектроанализаторе // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2019. Т. 22, № 2. С. 53–61. doi: 10.32603/1993-8985-2019-22-2-53-61Aronov L. A., Ushakov V. N. Quadrature Components Forming Method for Homodyne Acousto-Optic Spectrum Analyzer. J. of the Russian Universities. Radioelectronics. 2019, vol. 22, no. 2, pp. 53–61. doi: 10.32603/1993-8985-2019-22-2-53-61Vander Lugt A. Optical Signal Processing. New York: Wiley Interscience, 2005. 604 p.Vander Lugt A. Optical Signal Processing. New York, Wiley Interscience, 2005, 604 p.CCD Area Image Sensor S12101 / Hamamatsu photonics. URL: https://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/s12101_kmpd1176e.pdf (датаобращения14.01.2020).CCD Area Image Sensor S12101. Hamamatsu photonics. Available at: https://www.hamamatsu.com/ resources/pdf/ssd/s12101_kmpd1176e.pdf (accessed 14.01.2020).CCD Area Image Sensor S12101 / Hamamatsu photonics. URL: https://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/s12071_kmpd1138e.pdf (датаобращения14.01.2020).CCD Area Image Sensor S12101. Hamamatsu photonics. Available at: https://www.hamamatsu.com/ resources/pdf/ssd/s12071_kmpd1138e.pdf (accessed 14.01.2020).Svelto O. Principles of Lasers. 5 th ed. New York: Springer Science+Business Media, LLC, 2010. 620 p.Svelto O. Principles of Lasers. 5th ed. New York, Springer Science+Business Media, LLC, 2010, 620 p.Diode Lasers for Raman Spectroscopy / Micro Laser Systems, Inc. URL: http://www.microlaser.com/PDFs/DL_for_Raman-16.pdf (дата обращения 14.01.2020).Diode Lasers for Raman Spectroscopy. Micro Laser Systems, Inc. Available at: http://www.microlaser.com/ PDFs/DL_for_Raman-16.pdf (accessed 14.01.2020).HNL Series Red HeNe Lasers. User Guide Rev. B. August 21, 2018 / Thorlabs. URL: http://cdn.specpick.com /images/photonics/products/HNL150RB.pdf (дата обращения 14.01.2020).HNL Series Red HeNe Lasers. User Guide Rev. B. August 21, 2018. Thorlabs. Available at: http://cdn.specpick.com/images/photonics/products/HN L150RB.pdf (accessed 14.01.2020).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.