Products Home強度ノイズアナライザー、USB給電タイプ
- Low Quiescent Noise Floor: <-140 dBV2/Hz
- Onboard Calculation of the Relative Intensity Noise
- Powered and Controlled via USB 2.0
- 9 Hz Minimum Resolution Bandwidth for Resolving Low-Frequency Noise Sources
PNA1
Intensity Noise Analyzer
Application Idea
A typical optical setup for frequency-domain measurements. The output of the DET10A2 silicon detector is connected to the PNA1 noise analyzer using a BNC cable (Item # 2249-C-24). The PNA1 is powered via USB 2.0 and operated with the Intensity Noise Analyzer Software.
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| Key Specificationsa | ||
|---|---|---|
| Quiescent Noise Floorb | < -140 dBV2/Hz | |
| Broadband Noise Densityc | < 60 nV/√Hz | |
| Bandwidth | DC to 3 MHz | |
| Nominal Input Sampling Resolution | 18 Bit | |
| Sample Rates | 12.5 MHz, 781.25 kHz, 48.83 kHz | |
| Resolution Bandwidthd | 390 kHz - 3 MHz | 2.3 kHz |
| 24.5 kHz - 390 kHz | 140 Hz | |
| DC - 24.5 kHz | 9 Hz | |
ノイズアナライザPNA1は、通常、以下のデバイスからの信号を分析するために使用されます。
- バイアスディタクタ
- 増幅ディテクタ
- 光電子増倍管チューブ (PMT)
- 電子装置用のモニターポート
- 歪ゲージ
- 加速度計
- マイクロフォン
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強度ノイズアナライザPNA1のソフトウェアは、制御に使用できるシンプルなGUI機能を有しています。 測定値は周波数領域または時間領域で表示できます。
特長
- 3 MHzまでの周波数に対応可能な高精度、低ノイズの強度ノイズアナライザ
- 分解能帯域幅を最適化するための複数のサンプルレート(右の表参照)
- 入力電圧範囲： ±3.85 V
- 10 kΩのインピーダンスで内部終端処理されたBNC信号入力部
- 強度ノイズアナライザのソフトウェアで操作可能(ソフトウェアは「ソフトウェア」タブ内でダウンロードいただけます)
- 周波数領域または時間領域によるデータ表示
- パワースペクトル密度または相対強度ノイズ(RIN)単位での周波数領域の読み出し
- 統合相対強度ノイズ(IRIN)の合計を計算
- PCが別途必要(詳細は「ソフトウェア」タブ参照)
用途
- レーザの相対強度ノイズの特性評価
- 光学系のノイズを検出(音響ノイズ、電気ノイズ、振動ノイズ）
- ロックイン検出用に最適な周波数を特定
- CARS、SRSまたは過渡吸収分光システムの診断
- エラー信号の周波数領域の最適化(PIDパラメータ)
- 実験室の電圧または電流信号のスペクトル分析
当社の強度ノイズアナライザPNA1は、光学システムの強度ノイズを測定するための高精度な(18ビットのアナログ-デジタル変換)装置です。DC～3 MHzの入力周波数帯域幅を備え、複数のサンプルレートからのデータをオーバーラップさせて分解能帯域幅を最適化し、全帯域幅にわたって高い周波数軸分解能を実現します(右の表参照)。また、9 Hzの最小分解能帯域幅は、低周波数ノイズ光源を解析するのに適しています。この低ノイズ装置は、-140 dBV2/Hz未満(公称値)のノイズフロアを有し、光学実験時に、周囲の照明や電線ノイズなどの環境ノイズ源を特定することができます。また、ノイズレベルや検出限界の特性評価が重要な、光源や計測器の開発の用途にもご使用いただけます。測定例については「用途」タブをご覧ください。
筐体の前面パネルにある同軸入力部(「前面＆背面パネル」タブ参照)を介して電圧源に接続した場合、入力信号は18ビットの分解能でサンプリングされます。このデバイスは、最大±3.85 Vの入力電圧および、最大100 mAの電流でご使用いただけます。一般的な電圧源には、光学系の出力を測定し、電子装置の出力をモニタするために使用されるフォトダイオードなどの変換素子が備えられています。 この入力部は10 kΩのインピーダンスで内部終端処理されています。これよりも低いインピーダンスは、50 Ωの貫通型BNCターミネータT4119のような貫通型のターミネータを使用することで得られます。バッテリーバイアスのフォトダイオードを必要とする用途には、抵抗値の調整が可能な貫通型BNCターミネータVT2のご使用をお勧めいたします。
低周波数で高い周波数軸分解能を得るために、データの取得は3種類のサンプルレート(12.5 MHz、781.25 kHz、48.83 kHz)で行われます。INAのシグナルコンディショニングハードウェアとデジタルロジック設計はどちらも、低ノイズで高解像度のデータ取得用に最適化されています。データは、USB 2.0接続でお手持ちのPCに転送されます。
ノイズアナライザPNA1は、筐体の背面パネルにあるMini-B USBポート(PC側はUSB type-Aポートに接続)を使用して電源供給します。デバイス制御に必要なUSB 2.0プロトコルも供給されます。ロックネジ付きのUSB 2.0 Type-A USB-ABL-60 - Mini-BケーブルUSB-AB-72は各デバイスに付属しています。
前面パネルには、PowerとDataを示すLEDインジケータがあり、ノイズアナライザPNA1の動作状況が簡単に分かります。デバイスの電源が入っていても使用していない場合、Power LEDが点灯し、Data LEDは消灯します。デバイスがデータを送信している場合、Data LEDは緑色に点灯します。
ソフトウェア
ノイズアナライザPNA1は、当社の強度ノイズアナライザソフトウェアを使用して操作します。このユーザーフレンドリーなインターフェイスには、測定の開始と停止が行えるコントローラが含まれ、測定データは周波数領域または時間領域で表示されます。周波数領域データは、パワースペクトル密度(PSD)または相対強度ノイズ(RIN)のどちらかを選択して視覚化できます。必要なソフトウェアの詳細については「ソフトウェア」タブをご覧ください。
接地
低周波数での測定出力時に不規則な動作を引き起こす可能性がある接地ループを避けるようご注意ください。接地ループについての詳細はマニュアルでご覧いただけます。筐体のニッケルメッキ加工されたエンドプレートは、デバイスの内部信号グラウンドに導電しているため、接地されたテーブルと接触しないようにしてください。
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強度ノイズアナライザPNA1の寸法
| Item # | PNA1 | |
|---|---|---|
| Operating Specifications | ||
| Quiescent Noise Floora | < -140 dBV2/Hz | |
| Broadband Noise Densityb | < 60 nV/√Hz | |
| Bandwidth | DC to 3 MHz | |
| Nominal Input Sampling Resolution | 18 Bit | |
| Measurable Input Signal Voltagec | ±3.85 V | |
| Maximum Input Voltage | ± 4 V | |
| Maximum Input Current | 100 mA | |
| Sample Rates | 12.5 MHz, 781.25 kHz, 48.83 kHz | |
| Resolution Bandwidthd | 390 kHz - 3 MHz | 2.3 kHz |
| 24.5 kHz - 390 kHz | 140 Hz | |
| DC - 24.5 kHz | 9 Hz | |
| Input Termination | 10 kΩ | |
| Electrical and Data Specifications | ||
| Supply Voltage from USB | 4.75 - 5.25 VDC | |
| Frequency | DC | |
| Supply Current | 500 mA (Max) | |
| Maximum USB Baud Rate | 480 Mb/s | |
| Temperature Rangee | 0 °C to 70 °C | |
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強度ノイズアナライザPNA1の背面パネル
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強度ノイズアナライザPNA1の前面パネル
| Front Panel | |
|---|---|
| Call Out | Description |
| 1 | Signal Input (BNC Female) |
| Back Panel | |
|---|---|
| Call Out | Description |
| 1 | Lockable USB 2.0 Type Mini-B Connector with Threading for Locking Screw |
| 2 | Power Status Indicator LED |
| 3 | USB Status Indicator LED |
強度ノイズアナライザPNA1のピン配列図
入力信号
BNCメス型
この入力部は、±3.85 Vの電圧と100 mAの最大信号に対応し、10 kΩのインピーダンスで内部終端処理されています。これよりも低い入力インピーダンスは、貫通型BNCターミネータを追加することで得られます。
PC接続用
USB Mini-B コネクタ
USBケーブル(Mini-B - Type-A)が付属します。
| Recommended System Requirements | |
|---|---|
| Operating System | Windows® 10 (Recommended) or 11, 64 Bit Required |
| Memory (RAM) | 4 GB |
| Hard Drive | 300 MB (Min) of Available Disk Space |
| Screen Resolution | 1200 x 800 (Min) |
| Interface | Hi-Speed USB 2.0 |
ソフトウェア
バージョン1.2.0.0 (2024年4月25日時点)
下のボタンをクリックして強度ノイズアナライザのソフトウェアのページをご覧ください。
強度ノイズアナライザPNA1のソフトウェア
こちらのソフトウェアは、強度ノイズアナライザPNA1を簡単に制御できるように設計されています。このユーザーフレンドリーなGUIには、周波数領域または時間領域でデータを表示できる読み出し機能が含まれています。測定データは.csvファイル形式でエクスポートできます。
このGUIには、周波数領域と時間領域で表示するための様々な機能があります。周波数領域表示を使用すると、データはパワースペクトル密度(PSD)または相対強度ノイズ(RIN)で表示でき、お客様側で測定の開始と終了、スキャン平均化、参照スキャンのロード、および統合されたデータの表示などを行うことができます。時間領域表示では、測定の開始と終了が行え、スキャン持続時間を3種類から選択できます。詳細はマニュアルをご覧ください。
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強度ノイズアナライザPNA1を使用して、9.3 MHz、20 W の出力で作動する当社のフェムト秒ファイバーレーザFSL1030X1からのノイズを測定できます。RINトレース(青い線)の120 Hz近辺の顕著なピークは、AC電源またはグランドに関連するノイズを示しています。
光源からのノイズの特定
この測定では、当社の1035 nmイッテルビウムフェムト秒ファイバーレーザFSL1030X1 (9.3 MHz, 20 W)からの減衰された出力ビームをSiフォトディテクタDET10A2に入射させました。フォトディテクタはディテクタに入射する光パワーに比例する電流を出力し、BNCケーブルを介して強度ノイズアナライザPNA1に接続されています。ノイズアナライザは、複数のサンプルレートでこの電圧をデジタル化し、時間領域データをデジタルフィルタリングし、フーリエ変換して、DC電圧(二乗平均平方根電圧として計算)で正規化します。これにより周波数領域のパワースペクトル密度(PSD)または相対強度ノイズ(RIN)を視覚化できます。ノイズアナライザPNA1の操作方法については、「動作」タブをご覧ください。
右のグラフでは上記実験の測定結果が示されています。バックグラウンドトレース(灰色の線)は、レーザまたはフォトディテクタに通電していない場合の測定セットアップの静止ノイズフロア(quiescent noise floor)を示しています。バックグラウンドトレース(灰色線)に示される信号レベルは、ノイズアナライザPNA1を使用して認識できる信号の下限を効果的に定義します。青い線はデバイスの帯域幅全体にわたる光源のRINを示しています。120 Hz近辺で見られる顕著なピークは、米国で運用されている電気システムの場合、通常、AC電源またはグランドに関連するノイズを示しています。DCオフセットを差し引いた積分RIN(赤い線)は0.51%で、通常、このパワーとパルス幅のシステムにとって好ましいノイズ レベルと見なされます。
動作
測定された各振幅が周波数の関数として表される周波数領域での信号成分を特定することにより、実験でノイズ源を分離するのに役立ちます。強度ノイズアナライザPNA1は、信号を周波数領域の表現に変換するこのプロセスを実行します。ノイズアナライザの動作の基本理論について、以下で詳しくご説明します。
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図1:ノイズを含む時間領域測定のシミュレーション
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図2:図1で示された曲線のパワースぺクトル密度(PSD)のトレース 10 kHzの信号周波数に大きなピークがあることにご注目ください。
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図3:図2のPSDトレースを信号のRMSパワーで正規化して得られたRINトレース(青い線)と、周波数で積分したRINトレース(赤い線)を重ね合わせたグラフ。信号周波数での積算RIN(integrated RIN)曲線の大きな変曲点にご注目ください。ここでは、積算ノイズが0.10%増加しています。ガウスホワイトノイズに起因したノイズは、10 kHzの信号と直交して加算され、最終的な積算RINの割合は約0.11%になります。
時間領域の測定
PNA1は、フォトダイオードなどの電圧源からの入力信号をサンプリングします。この時間領域測定は、電圧サンプリングを時間の関数として示しており、電圧源からの出力信号をオシロスコープで表示した場合に観察されるものと同等です。
図1は時間領域測定のシミュレーションです。この正弦波の特性は、DCオフセット：2.000 V、振幅：2.8284 mV(2 mV RMS)、周波数：10 kHzとなっています。信号のランダムノイズは、0.0009 VのRMS電圧のガウシアンとなります。
周波数領域の表示
信号の周波数成分を特定するために、ノイズアナライザPNA1は高速フーリエ変換(FFT)を使用して、時間領域データを周波数領域に変換します。FFTは高速にフーリエ変換(DFT)を計算できる手法であり、複素数が得られます。複素数の実数成分はデジタル化された電圧信号の余弦振幅を表し、虚数成分はデジタル化された電圧信号の正弦振幅を表します。等間隔に並んだ一連のN個の時間領域データポイントx[n]のFFTは次の式で定義されます。
ここで、X[k]はインデックスkにおける時間領域信号の正弦および余弦成分を表す複素数のベクトル、jは虚数、nは、時系列データのインデックスです。各kインデックスは、取得した信号のサンプルレートを1等分したものを表すことにご注意ください。
インデックスkに関連する周波数での入力信号の大きさY[k]は、次の式で定義されます。
この式を用いて1つの周波数インデックスkにおける信号光パワー2(Y[k])2で与えられる)が求められます。 しかし、一般的には、ある周波数インデックスにおけるパワー密度であるPSD(パワースペクトル密度)を用いて求めるのが望ましいとされています。PSDは、ノイズアナライザPNA1を使用し、以下に従って算出されます。
ここでfsはサンプル周波数、Nは時間領域信号のサンプル数です。 ノイズアナライザPNA1を使用した場合、PSDはV2/Hzの単位で表されます。図2は、図1の曲線におけるPSDのトレースです。この周波数領域曲線では、信号周波数10 kHzの正弦波で予測されるような、大きなピークが10kHzにあることがわかります。
相対強度ノイズ
PSDは与えられた周波数インデックスにおけるパワー密度を示しますが、システムのノイズは相対強度ノイズ(RIN)を用いることでより直感的に理解することができます。RINは時間領域信号の全パワーで正規化したPSDです。強度ノイズアナライザPNA1を使用した場合、RIN[k]は以下の式で定義されます。
ここで、PSD[k]は周波数インデックスkにおけるパワースペクトル密度、VRMSは時間領域信号のRMS(二乗平均の平方根)電圧です。 VRMSは次のように計算されます。
ここで、V[n]は特定の時間領域インデックスにおける電圧です。通常、RINはdBc/Hzの単位で表されますが、これは単位帯域幅あたりのキャリアを下回るパワー(dB単位)です。 信号の大部分がDC値である測定(つまり、CWレーザの出力パワーの測定)では、キャリアはDCパワーに相当し、VRMSはDCオフセット電圧として近似できます。
周波数領域のデータ系列における積算RIN RINintは、これらの値をスペクトルデータの周波数スパンで積分することによって得られます。
ここで、fnは、時間領域データのナイキスト周波数で、サンプルレートの1/2になります。
周波数階層化
DFTの周波数軸上のポイントの間隔は、一般に分解能帯域幅(RBW)と呼ばれます。この図では、DFTを行う前の時間データのサンプルレートFsと、時系列データNの比率を簡単に表したものです。
ここで、Kwは、ウィンドウ操作の影響を考慮するための補正係数です。この補正係数は、分解能帯域幅の二次的な考慮事項です。ウィンドウ操作は、FFTの特定の周波数セグメントの信号パワーを隣接する周波数セグメントに展開する効果があります。これは、ウィンドウ関数の正弦波関数に近い周波数領域応答性が入力信号と畳み込まれるためです。
互いに近いノイズ源や低周波数のノイズ源を識別しようとする場合には、RBWが小さいほど有利です。上記の式の公証RBWを小さくするには、DFTのポイントの数を増やすか、サンプルレートを小さくします。ノイズアナライザPNA1の全帯域幅にわたって有用なRBWを得るために、3種類のサンプルレートを使用されます。デバイスの1つ目のサンプルレートは減少し、その後再び減少します。これにより、RBWは3種類の個別の帯域幅に調整され、5桁以上の周波数範囲全体にわたって優れた周波数分解能を得られます。
| Posted Comments: | |
Ian Bloomfield
(posted 2023-12-14 06:25:12.48) Hi-
This is a really nice device that strikes a good balance between noisefloor, bandwidth, and dynamic range.
However- for us to utilize this device to the fullest, we would love to see an API so we can automate measurements. Is this on the roadmap?
Thanks! cdolbashian
(posted 2023-12-15 05:26:06.0) Thank you for reaching out to us with this inquiry! We are certainly planning on releasing such a feature for this exact type of application. Bowen Liu
(posted 2023-10-30 20:13:35.203) Hi, I am Bowen from Univ of Tokyo. We have a problem regarding to the PNA1 noise floor that is shown on your product website below "application" tag. When using PNA1 to test the laser RIN performance, we found that the RIN of background noise is always higher than that of signal laser. Even the PD was disconnected with PNA1, the RIN of noise floor (-90 dBc/Hz) is much higher than what you show on your website (-140 dBc/Hz). However, the PSD of noise floor seems fine. We was wondering how you get the RIN of noise floor that shown on your website, and do you normalize it to RMS of voltage? jdelia
(posted 2023-10-31 10:26:54.0) Thank you for contacting Thorlabs. The background noise displays with very high RIN values because there is only a very small DC voltage on the signal when the PD is blocked or disconnected. The RIN calculation normalizes the measured PSD of the electrical signal by the DC voltage, so is dividing by a very small number in the case of no input. If you would like to plot the RIN “background” against measured data you can save the file with the background (i.e. detector blocked or off) and scale the PSD units (V^2/Hz) of the background saved data into the equivalent RIN units of the real measurement by dividing by Vrms^2 saved in the real measurement. This will put both the background and the signal on the same RIN axis. Tobias Hofer
(posted 2023-07-17 13:36:11.95) Hey the application Idea on this picture is strongly misleading, you should terminate with a 50 Ohm resistor or you would limit the BW of most your PDs to below 3MHz. Also: 100mA max current at 10kOhms input? That would be 1kV according to U=R*I? I don't get your instructions on this product. Cheers, Tobias Hofer jdelia
(posted 2023-07-21 02:39:36.0) Thank you for contacting Thorlabs. The optimal termination for any measurement is a function of many parameters, including, as you indicated, the capacitance of the photodiode. The Application Idea picture uses a DET10A2 detector with a typical capacitance of 6 pF. This, along with the 10 kOhm termination, would give a – 3dB bandwidth of approximately 2.65 MHz, which is well-matched to the device maximum operating bandwidth of 3 MHz, although a user may want to choose a different termination if they want less roll-off at the high frequency side of the measurement. Thorlabs fortunately provides many different options for varying the termination, including fixed stub terminators (FTK01), fixed feed-through terminators (T4119), and a variable feed-through terminator (VT2). 50 Ohms would be a good choice for many measurements, although a user may get a higher signal to noise ratio by terminating at a higher resistance (500 Ohm, for example), yielding a higher DC voltage and SNR. For the input current markings, those are absolute maximum ratings. The PNA1 has internal protection circuitry that will sink the excess current (so that the voltage does not rise above the damage point of the internal components), and the maximum rating for that protection circuitry is +/- 100 mA. Brian Anderson
(posted 2023-06-13 18:23:43.227) Hello,
I'm curious if in future version of the software you could additional options to change the calculations.
For example, it would be great if you could include a feature to either subtract the dark current/voltage from the DC value or subtract off a previously measured background noise before automatically calculating the RIN value.
Secondly it would be great if the % RIN could be calculated within a specific frequency range. E.G. calculating the RIN in a small subset (say from 2 Khz to 10 Khz) instead of covering the entire 3 MHz bandwidth.
Thanks,
Brian cdolbashian
(posted 2023-06-20 03:10:59.0) Thank you for reaching out to us with this inquiry! I have passed your feedback along to our responsible software team. |
強度ノイズアナライザ