本文介紹了在光纖激光系統(tǒng)中，最常用的四種調制（在納秒或亞納秒時域內改變激光幅度）方法。包括AOM（聲光調制）、EOM（電光調制）、SOM/SOA（半導體光放大也叫半導體調制）以及激光器直接調制。其中AOM,EOM,SOM屬于外調制，或稱為間接調制。

一、聲光調制器(AOM)

聲光調制是利用聲光效應將信息加載于光載波上的一種物理過程。調制時，其先將電信號(調幅)作用于電聲換能器，將電信號轉 化為超聲場、當光波通過聲光介質時，由于聲光作用，使光載波受到調制而成為攜帶信息的強度調制波。

圖：聲光調制器AOM

聲光調制器優(yōu)點：

聲光調制器AOM支持380~2500nm的各種波長，是所有調制器中支持波段最寬的。

與其他調制方法相比，聲光調制器AOM可以用于相對較高的光功率的場景，通常可達到幾瓦。

聲光調制器AOM有移頻功能，適合一些應用的移頻需求。

聲光調制器缺點：

開關速度和插入損耗之間的相互影響，較快的切換速度會帶來較大的損耗。

與其他調制方案相比體積大、功耗大。

使用AOM時，用戶應關注方案的總成本，包括AOM器件本身及外圍射頻驅動電路。

圖：AOM+射頻驅動

聲光調制驅動器推薦廠家：

AeroDIODE -法國 https://www.aerodiode.com

二、電光調制器(EOM)

電光調制器是利用某些電光晶體，如鈮酸鋰晶體(LiNb03)、砷化稼晶體(GaAs)和鉭酸鋰晶體(LiTa03)的電光效應制成的調制器。電 光效應即當把電壓加到電光晶體上時，電光晶體的折射率將發(fā)生變化，結果引起通過該晶體的光波特性的變化，實現(xiàn)對光信號的相位、幅 度、強度以及偏振狀態(tài)的調制.

電光調制器（EOM）的主要優(yōu)點是其優(yōu)秀的高速帶寬特性，其調制速率可達10GHz速率以上。

圖:電光調制器

電光調制器推薦廠家：

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光庫科技：中國珠海

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電光調制器（EOM）使用相對復雜，需要可以通過驅動來解決。使用EOM主要需要關注幾個參數(shù)：

插入損耗：

插入損耗水平因型號而異。通常，提高EOM的一個關鍵性能（即消光比）會對插入損耗產(chǎn)生負面影響。典型的插入損耗在4-5dB的 范圍內。

最大輸入/輸出功率：

典型的最大輸入功率在50mW（17dBm）的范圍內。該最大光功率通常是指平均光功率。因此，可以通過在輸入光纖上施加脈沖 光克服最大輸入光功率這個限制?？梢酝ㄟ^AOM或直接調制激光二極管來產(chǎn)生調制的輸入信號，這也會帶來與偏置電壓穩(wěn)定性問題。

圖４：通過脈沖光信號克服EOM的光功率限制

偏置電壓的穩(wěn)定性：

偏置電壓的控制使用EOM時技術難點之一。EOM通常受熱不均勻性影響而緩慢變化，進而影響調制質量。

圖：強度調制器的傳遞函數(shù)

為了控制強度調制器獲得所需的調制，用戶必須向調制器施加兩個單獨的電壓：

（1）調制電壓和（2）直流偏置偏壓。偏置電壓需選擇合適工作點并補償漂移，以保持穩(wěn)定。

圖 :EOM驅動電路典型配置

當用戶需要在非常低的占空比脈沖時，低電平的功率可能不足以使偏置電壓驅動器能夠保持對偏置電平的控制。

三、半導體光調制器（SOM/SOA）

半導體光放大器SOA通常用于光信號的放大，其具有芯片化、低功耗、支持全波段等優(yōu)點，是傳統(tǒng)光放大器如EDFA（摻鉺光纖 放大器）的一種未來的替代方案。半導體光調制器（SOM）與半導體光放大器是同一種器件，但使用方式與使用傳統(tǒng)SOA放大器的使用 方式略有不同，做光調制器時其關注的指標也與用作放大器時略有區(qū)別。

在用于光信號放大時，通常給SOA提供的穩(wěn)定的驅動電流，確保SOA工作在線性區(qū)；在用于調制光脈沖時，其將連續(xù)光信號輸入到SOA，使用電脈沖控制SOA驅動電流，進而控制SOA輸出狀態(tài)為放大/衰減，其利用SOA放大特性和衰減特性，這種調制方式開始逐漸應用到一些新的應用中，如光纖傳感、激光雷達、OCT醫(yī)療成像等領域，尤其是一些對體積、功耗、消光比要求比較高的場景。

Figure 9 : 通過SOA調制光信號(SOM)

SOA/SOM作為一種新型的調制方案，與其他解決方案相比，有幾個突出的優(yōu)點：

SOA/SOM的動態(tài)范圍通常高于EOM或AOM。AOM或EOM通常被限制在<30dB，并且由于受偏振影響，其動態(tài)范圍更小。而SOM的消光比在某些情況下可以達到>70dB。

SOA/SOM偏振無關，而EOM和AOM通常都容易受到偏振依賴性的影響。

SOA/SOM的光譜特性穩(wěn)定，而當直接調制激光器時，則需要考慮頻率/相位光譜和強度分布的耦合可能產(chǎn)生的不良光譜效應。

SOA/SOM是芯片化解決方案，體積小功耗低，并易于集成。某些應用場景一些小型的短距離的光纖傳感系統(tǒng)，還可同時替代（AOM+EDFA）。在某些應用場景下還可與前端的半導體光源即成為一個器件（DFB+SOA），如某些TOF LiDAR應用或測風激光雷達應用。

使用SOA半導體光放大器作為脈沖調制時，需要注意以下兩個事項：

脈沖驅動電路在關斷偏置時，會有很小的漏電流，這會對關斷消光比帶來較大的影響，因此驅動電流在關斷狀態(tài)時，應盡量確保無漏電流。如條件允許，在關斷時施加個一個很小的反向偏壓，就能獲得更高的消光比，這需要特殊的驅動電路設計。

某些情況下，需要用到SOA的放大特性，來放大光信號，以產(chǎn)生更高的消光比，但放大同時也會產(chǎn)生一部分ASE噪聲，如果需要控制ASE噪聲，可以增加一個波分濾波器來解決，或選用較好NF噪聲系數(shù)的SOA器件。

推薦的SOA廠家：

見合八方-780~1700nm全系列半導體光放大器SOA- http://tj.jhbf.cc

圖:蝶形半導體光放大器SOA-見合八方

當使用SOM/SOA時，消光比可高達70dB甚至80dB。當需要非常高的消光比時，有時也可以選擇保偏半導體光放大器，并使用 SOA的放大特性。通過這種方式，施加零驅動電流（注意驅動器盡量減少漏電流）或負偏置電流時，通過SOA的吸收使光在達到pW水 平，而在施加標稱驅動電流時可以達到SOA輸出則可以達到100 mW，即“開”和“關”狀態(tài)之間的消光比>80 dB。某些應用中，為獲 得更好的消光比特性，也可以使用雙級SOA。

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圖: SOA通過脈沖驅動器生成的1ns脈沖

四、激光器直接調制

也可以通過直接控制激光器偏置電流方式來調制光信號，如下圖所示，通過直接調制獲得了一個3納秒脈沖寬度?？梢钥吹皆诿}沖 開始時有一個尖峰，這是激光器載流子的弛豫帶來的。如果為獲得約100皮秒脈沖，可以利用這個尖峰。但是通常情況我們不希望有 這個尖峰。

圖 :通過直接調制DFB激光器獲得的一個3ns脈沖

短脈沖寬度下的脈沖形狀以及上升/下降時間和抖動水平可能因驅動電路而異。

調制帶寬主要取決于驅動電路速度以及激光二極管的電感。在許多供應商的ON/OFF切換模式下，達到每安培5納秒的上升/下降時 間是可能的。然而，在開發(fā)脈沖驅動器時，將模塊性、易用性和高性能相結合是最困難的部分。

圖：通過直接調制DFB激光器產(chǎn)生3ns脈沖。

上圖帶有尖峰，下圖抑制了尖峰

直接調制方案的是成本最低方案，但驅動電流會帶來光譜特性變化。

總結

下表總結了各種解決方案的優(yōu)缺點。AOM在適合在幾瓦輸出光功率，并具有移頻功能。EOM速度快，但驅動復雜度高，消光比 低。SOM（即SOA）是GHz速度和高消光比時最優(yōu)解決方案，比具有低功耗、小型化等特性。直接激光二極管是最便宜的解決方 案，但要注意光譜特性的變化。

每種調制方案都有各自的優(yōu)缺點，選擇方案時重要的是準確了解應用需求，并熟悉各個方案的優(yōu)缺點，選擇最適合的方案。例如 在分布式光纖傳感中，傳統(tǒng)以AOM為主，但在一些新的系統(tǒng)設計中，使用SOA方案快速增長，在一些測風激光雷達中傳統(tǒng)方案使用 雙級AOM，新的方案設計中為了降低成本、縮小體積、并提升消光比，則采用了SOA方案。在通信系統(tǒng)中，低速系統(tǒng)通常采用直接 調制方案，高速系統(tǒng)通常使用電光調制方案。

審核編輯 黃宇