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

一、聲光調(diào)制器(AOM)

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

圖：聲光調(diào)制器AOM

聲光調(diào)制器優(yōu)點：

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

與其他調(diào)制方法相比，聲光調(diào)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(diào)制器AOM有移頻功能，適合一些應(yīng)用的移頻需求。

聲光調(diào)制器缺點：

開關(guān)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(diào)制方案相比體積大、功耗大。

使用AOM時，用戶應(yīng)關(guān)注方案的總成本，包括AOM器件本身及外圍射頻驅(qū)動電路。

圖：AOM+射頻驅(qū)動

聲光調(diào)制驅(qū)動器推薦廠家：

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二、電光調(diào)制器(EOM)

電光調(diào)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(yīng)制成的調(diào)制器。電 光效應(yīng)即當(dāng)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(jié)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(diào)制.

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

圖:電光調(diào)制器

電光調(diào)制器推薦廠家：

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光庫科技：中國珠海

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元芯光電：中國寧波

電光調(diào)制器（EOM）使用相對復(fù)雜，需要可以通過驅(qū)動來解決。使用EOM主要需要關(guān)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(guān)鍵性能（即消光比）會對插入損耗產(chǎn)生負(fù)面影響。典型的插入損耗在4-5dB的 范圍內(nèi)。

最大輸入/輸出功率：

典型的最大輸入功率在50mW（17dBm）的范圍內(nèi)。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。可以通過AOM或直接調(diào)制激光二極管來產(chǎn)生調(diào)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(shù)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(diào)制質(zhì)量。

圖：強度調(diào)制器的傳遞函數(shù)

為了控制強度調(diào)制器獲得所需的調(diào)制，用戶必須向調(diào)制器施加兩個單獨的電壓：

（1）調(diào)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(qū)動電路典型配置

當(dāng)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(qū)動器能夠保持對偏置電平的控制。

三、半導(dǎo)體光調(diào)制器（SOM/SOA）

半導(dǎo)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(dǎo)體光調(diào)制器（SOM）與半導(dǎo)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(diào)制器時其關(guān)注的指標(biāo)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(qū)動電流，確保SOA工作在線性區(qū)；在用于調(diào)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(qū)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(diào)制方式開始逐漸應(yīng)用到一些新的應(yīng)用中，如光纖傳感、激光雷達、OCT醫(yī)療成像等領(lǐng)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(diào)制光信號(SOM)

SOA/SOM作為一種新型的調(diào)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(guān)，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(dāng)直接調(diào)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(yīng)。

SOA/SOM是芯片化解決方案，體積小功耗低，并易于集成。某些應(yīng)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(yīng)用場景下還可與前端的半導(dǎo)體光源即成為一個器件（DFB+SOA），如某些TOF LiDAR應(yīng)用或測風(fēng)激光雷達應(yīng)用。

使用SOA半導(dǎo)體光放大器作為脈沖調(diào)制時，需要注意以下兩個事項：

脈沖驅(qū)動電路在關(guān)斷偏置時，會有很小的漏電流，這會對關(guān)斷消光比帶來較大的影響，因此驅(qū)動電流在關(guān)斷狀態(tài)時，應(yīng)盡量確保無漏電流。如條件允許，在關(guān)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(qū)動電路設(shè)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(dǎo)體光放大器SOA- http://tj.jhbf.cc

圖:蝶形半導(dǎo)體光放大器SOA-見合八方

當(dāng)使用SOM/SOA時，消光比可高達70dB甚至80dB。當(dāng)需要非常高的消光比時，有時也可以選擇保偏半導(dǎo)體光放大器，并使用 SOA的放大特性。通過這種方式，施加零驅(qū)動電流（注意驅(qū)動器盡量減少漏電流）或負(fù)偏置電流時，通過SOA的吸收使光在達到pW水 平，而在施加標(biāo)稱驅(qū)動電流時可以達到SOA輸出則可以達到100 mW，即“開”和“關(guān)”狀態(tài)之間的消光比>80 dB。某些應(yīng)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(qū)動器生成的1ns脈沖

四、激光器直接調(diào)制

也可以通過直接控制激光器偏置電流方式來調(diào)制光信號，如下圖所示，通過直接調(diào)制獲得了一個3納秒脈沖寬度。可以看到在脈沖 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(diào)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(qū)動電路而異。

調(diào)制帶寬主要取決于驅(qū)動電路速度以及激光二極管的電感。在許多供應(yīng)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(qū)動器時，將模塊性、易用性和高性能相結(jié)合是最困難的部分。

圖：通過直接調(diào)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(diào)制方案的是成本最低方案，但驅(qū)動電流會帶來光譜特性變化。

總結(jié)

下表總結(jié)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(qū)動復(fù)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(diào)制方案都有各自的優(yōu)缺點，選擇方案時重要的是準(zhǔn)確了解應(yīng)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(shè)計中，使用SOA方案快速增長，在一些測風(fēng)激光雷達中傳統(tǒng)方案使用 雙級AOM，新的方案設(shè)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(diào)制方案，高速系統(tǒng)通常使用電光調(diào)制方案。

審核編輯 黃宇