四种常见的高速光调制器

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    本文介绍了在光纤激光系统中，最常用的四种调制（在纳秒或亚纳秒时域内改变激光幅度）方法。包括AOM（声光调制）、EOM（电光调制）、SOM/SOA（半导体光放大也叫半导体调制）以及激光器直接调制。其中AOM,EOM,SOM属于外调制，或称为间接调制。

 一、声光调制器(AOM)

    声光调制是利用声光效应将信息加载于光载波上的一种物理过程。调制时，其先将电信号(调幅)作用于电声换能器，将电信号转化为超声场、当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为携带信息的强度调制波。

 图：声光调制器AOM

    声光调制器优点：

•  声光调制器AOM支持380~2500nm的各种波长，是所有调制器中支持波段最宽的。
• 与其他调制方法相比，声光调制器AOM可以用于相对较高的光功率的场景，通常可达到几瓦。
• 声光调制器AOM有移频功能，适合一些应用的移频需求。

声光调制器缺点：

• 开关速度和插入损耗之间的相互影响，较快的切换速度会带来较大的损耗。
• 与其他调制方案相比体积大、功耗大。

    使用AOM时，用户应关注方案的总成本，包括AOM器件本身及外围射频驱动电路。

图：AOM+射频驱动

    声光调制驱动器推荐厂家：

• AeroDIODE -法国 https://www.aerodiode.com

二、电光调制器(EOM)

    电光调制器是利用某些电光晶体，如铌酸锂晶体(LiNb03)、砷化稼晶体(GaAs)和钽酸锂晶体(LiTa03)的电光效应制成的调制器。电光效应即当把电压加到电光晶体上时，电光晶体的折射率将发生变化，结果引起通过该晶体的光波特性的变化，实现对光信号的相位、幅度、强度以及偏振状态的调制.

    电光调制器（EOM）的主要优点是其优秀的高速带宽特性，其调制速率可达10GHz速率以上。

图:电光调制器

    电光调制器推荐厂家：

• iX-Blue : 法国 www.ixblue.com
• 光库科技：中国珠海
• 浦丹光电：中国北京
• 元芯光电：中国宁波

    电光调制器（EOM）使用相对复杂，需要可以通过驱动来解决。使用EOM主要需要关注几个参数：

• 插入损耗：

    插入损耗水平因型号而异。通常，提高EOM的一个关键性能（即消光比）会对插入损耗产生负面影响。典型的插入损耗在4-5dB的范围内。

• 最大输入/输出功率：

    典型的最大输入功率在50mW（17dBm）的范围内。该最大光功率通常是指平均光功率。因此，可以通过在输入光纤上施加脉冲光克服最大输入光功率这个限制。可以通过AOM或直接调制激光二极管来产生调制的输入信号，这也会带来与偏置电压稳定性问题。

图４：通过脉冲光信号克服EOM的光功率限制

• 偏置电压的稳定性：

    偏置电压的控制使用EOM时技术难点之一。EOM通常受热不均匀性影响而缓慢变化，进而影响调制质量。

图：强度调制器的传递函数

    为了控制强度调制器获得所需的调制，用户必须向调制器施加两个单独的电压：（1）调制电压和（2）直流偏置偏压。偏置电压需选择合适工作点并补偿漂移，以保持稳定。

图 :EOM驱动电路典型配置

    当用户需要在非常低的占空比脉冲时，低电平的功率可能不足以使偏置电压驱动器能够保持对偏置电平的控制。

三、半导体光调制器（SOM/SOA）

    半导体光放大器（SOA）通常用于光信号的放大，其具有芯片化、低功耗、支持全波段等优点，是传统光放大器如EDFA（掺铒光纤放大器）的一种未来的替代方案。半导体光调制器（SOM）与半导体光放大器是同一种器件，但使用方式与使用传统SOA放大器的使用方式略有不同，做光调制器时其关注的指标也与用作放大器时略有区别。

    在用于光信号放大时，通常给SOA提供的稳定的驱动电流，确保SOA工作在线性区；在用于调制光脉冲时，其将连续光信号输入到SOA，使用电脉冲控制SOA驱动电流，进而控制SOA输出状态为放大/衰减，其利用SOA放大特性和衰减特性，这种调制方式开始逐渐应用到一些新的应用中，如光纤传感、激光雷达、OCT医疗成像等领域，尤其是一些对体积、功耗、消光比要求比较高的场景。

Figure 9 : 通过SOA调制光信号(SOM)

    SOA/SOM作为一种新型的调制方案，与其他解决方案相比，有几个突出的优点：

• SOA/SOM的动态范围通常高于EOM或AOM。AOM或EOM通常被限制在<30dB，并且由于受偏振影响，其动态范围更小。而SOM的消光比在某些情况下可以达到>70dB。
• SOA/SOM偏振无关，而EOM和AOM通常都容易受到偏振依赖性的影响。
• SOA/SOM的光谱特性稳定，而当直接调制激光器时，则需要考虑频率/相位光谱和强度分布的耦合可能产生的不良光谱效应。
• SOA/SOM是芯片化解决方案，体积小功耗低，并易于集成。某些应用场景一些小型的短距离的光纤传感系统，还可同时替代（AOM+EDFA）。在某些应用场景下还可与前端的半导体光源即成为一个器件（DFB+SOA），如某些TOF LiDAR应用或测风激光雷达应用。

    使用SOA作为脉冲调制时，需要注意以下两个事项：

• 脉冲驱动电路在关断偏置时，会有很小的漏电流，这会对关断消光比带来较大的影响，因此驱动电流在关断状态时，应尽量确保无漏电流。如条件允许，在关断时施加个一个很小的反向偏压，就能获得更高的消光比，这需要特殊的驱动电路设计。
• 某些情况下，需要用到SOA的放大特性，来放大光信号，以产生更高的消光比，但放大同时也会产生一部分ASE噪声，如果需要控制ASE噪声，可以增加一个波分滤波器来解决，或选用较好NF噪声系数的SOA器件。

    推荐的SOA厂家：

• 见合八方-780~1700nm全系列半导体光放大器SOA- http://tj.jhbf.cc
•   图:蝶形半导体光放大器SOA-见合八方
• 当使用SOM/SOA时，消光比可高达70dB甚至80dB。当需要非常高的消光比时，有时也可以选择保偏半导体光放大器，并使用SOA的放大特性。通过这种方式，施加零驱动电流（注意驱动器尽量减少漏电流）或负偏置电流时，通过SOA的吸收使光在达到pW水平，而在施加标称驱动电流时可以达到SOA输出则可以达到100 mW，即“开”和“关”状态之间的消光比>80 dB。某些应用中，为获得更好的消光比特性，也可以使用双级SOA。

  推荐以下驱动器厂家：光谷互连-中国武汉

• 厦门彼格-中国厦门-https://www.beogold.com/
• 南智锐捷-中国南京
• 科扬光电-中国北京
• 傲秀信息-中国上海
• 

 图: SOA通过脉冲驱动器生成的1ns脉冲

四、激光器直接调制

    也可以通过直接控制激光器偏置电流方式来调制光信号，如下图所示，通过直接调制获得了一个3纳秒脉冲宽度。可以看到在脉冲开始时有一个尖峰，这是激光器载流子的弛豫带来的。如果为获得约100皮秒脉冲，可以利用这个尖峰。但是通常情况我们不希望有这个尖峰。

图 :通过直接调制DFB激光器获得的一个3ns脉冲

    短脉冲宽度下的脉冲形状以及上升/下降时间和抖动水平可能因驱动电路而异。

    调制带宽主要取决于驱动电路速度以及激光二极管的电感。在许多供应商的ON/OFF切换模式下，达到每安培5纳秒的上升/下降时间是可能的。然而，在开发脉冲驱动器时，将模块性、易用性和高性能相结合是最困难的部分。

图：通过直接调制DFB激光器产生3ns脉冲。上图带有尖峰，下图抑制了尖峰

    直接调制方案的是成本最低方案，但驱动电流会带来光谱特性变化。

总结

    下表总结了各种解决方案的优缺点。AOM在适合在几瓦输出光功率，并具有移频功能。EOM速度快，但驱动复杂度高，消光比低。SOM（即SOA）是GHz速度和高消光比时最优解决方案，比具有低功耗、小型化等特性。直接激光二极管是最便宜的解决方案，但要注意光谱特性的变化。

    每种调制方案都有各自的优缺点，选择方案时重要的是准确了解应用需求，并熟悉各个方案的优缺点，选择最适合的方案。例如在分布式光纤传感中，传统以AOM为主，但在一些新的系统设计中，使用SOA方案快速增长，在一些测风激光雷达中传统方案使用双级AOM，新的方案设计中为了降低成本、缩小体积、并提升消光比，则采用了SOA方案。在通信系统中，低速系统通常采用直接调制方案，高速系统通常使用电光调制方案。