Tutorial: Grundlagen des Hochgeschwindigkeits-Fasermodulators

Faser-Intensitätsmodulator: Dieses Tutorial gibt einen Überblick über die technischen Ansätze, die am häufigsten verwendet werden, um die Amplitude (Modulation) von Laserlicht im Nanosekunden- oder Subnanosekunden-Zeitbereich in fasergekoppelten Lasersystemen zu ändern.

Vollständige PDF-Version : Faseroptischer Modulator

Dieses Tutorial gibt einen Überblick über die Vor- und Nachteile der vier wichtigsten technischen Ansätze zur faseroptischen Lasermodulation. Drei davon basieren auf externer Modulation: AOM (Acousto-Optic Modulators), EOM (Electro-Optic Modulators), SOA (Semiconductor Optical Amplifiers) und der vierte basiert auf der direkten Ansteuerung der Laserdiode.

Fiber modulators comparison
Abbildung 1: die Vor- und Nachteile der vier primären technischen Ansätze zur Laserfasermodulation

Akustooptischer Modulator: AOM

Akustooptische Fasermodulatoren sind bei verschiedenen Wellenlängen von 380 nm bis 2500 nm erhältlich. Der Hauptvorteil der akustooptischen fasergekoppelten Modulation ist die relativ hohe optische Leistung, die diese Modulatoren handhaben können. Sie sind dafür ausgelegt, mit Leistungsstufen zu arbeiten, die mehrere Watt erreichen können (in einigen Fällen mehr als 10 W). Bei akustooptischen Modulatoren (AOMs) ist jedoch ein Hauptnachteil der Kompromiss zwischen der Schaltgeschwindigkeit und dem Einfügungsverlust. Je mehr der optische Strahl innerhalb des eingebetteten Kristalls des AOM fokussiert wird, desto schneller schaltet er, aber desto schwieriger kann er die Ausgangsfaser erreichen, ohne Verluste zu erleiden. Weitere Informationen zu dieser Technologie finden Sie in einem ausführlichen Überblick über Akustooptische Theorie .

3 AOM suppliers
Abbildung 2: Fasergekoppelter akustooptischer Modulator von AeroDIODE.

Bei der Betrachtung des Preises einer AOM-Einrichtung sollte der Benutzer die Gesamtkosten der drei Schlüsselelemente berücksichtigen:

  • Die AOM-Komponente selbst
  • Der HF-Treiber
  • Eventuell eine schnell schaltende Synchronisationselektronik, die je nach RF-Treiber 0-1 V oder 0-5 V erzeugt
3 products connected together to show how to interface them
Abbildung 3: Vollständiges AOM-Setup mit einem Treiber und dem unten beschriebenen Synchronisationstool.
AeroDIODE bietet fasergekoppelte AOM-Geräte mit guten Geschwindigkeits-/Einfügedämpfungsleistungen um 1 µm und 1,5 µm. Die wichtigsten Leistungen sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Wellenlänge (nm)

RF-Frequenz (MHz) Max. Eingangsleistung (W) Anstiegszeit (ns) Einfügungsdämpfung (dB)
1000-1090 100 5 45 1,5
1000-1090 200 3 9,5 2,5
1520-1580 80 0,5 45 2,5
1520-1580 200 0,5 9,5 4,5

Ein Beispiel für ein multifunktionales, einfach zu verwendendes, schnell schaltendes Synchronisationselektronikmodul ist in Abbildung 4 dargestellt. Dieses Modul ist nicht obligatorisch, aber es kombiniert eine beeindruckende Anzahl von Funktionen für komplexe Synchronisationsanforderungen, einschließlich Pulse-Picking und einem AWG (Arbitrary Waveform Generator). Dieser Impulsverzögerungsgenerator wird von AeroDIODE hergestellt:

Fiber modulator synchronization tool
Abbildung 4: Beispiel einer schnell schaltenden Synchronisationselektronik von AeroDIODE – ideal für die AOM-Pulse-Picking-Synchronisation.

Elektrooptischer Modulator: EOM

Der große Vorteil eines elektrooptischen Modulators (EOM) ist ihre Bandbreite, die bis in den 10-GHz-Bereich reicht. Denken Sie daran, dass der Benutzer die Treiberelektronik finden muss, um diese Bandbreite zu unterstützen.

Fiber modulator EOM
Abbildung 5: Beispiel für elektrooptische Intensitätsmodulatoren von ixBlue (ex-Photline) (links) und EOspace (rechts) – (mit freundlicher Genehmigung von iXBlue/EOspace – Websites)

3 renommierte Hersteller von EOM-Fasermodulatoren sind:

Mehrere Schwierigkeiten, die mit elektrooptischen Modulatoren (EOM) verbunden sind, können gelöst werden, indem die Komplexität des Gesamtaufbaus erhöht wird. Wenn Sie sich für ein EOM-basiertes Modulations-Setup entscheiden, müssen mehrere Parameter berücksichtigt und korrekt verwaltet werden:

  • Einfügedämpfung:

Die Einfügedämpfungspegel variieren von Modell zu Modell. Im Allgemeinen kann die Verbesserung eines Schlüsselleistungsmerkmals eines EOM (z. B. des Extinktionsverhältnisses) negative Auswirkungen auf die Einfügungsverluste haben. Typische Einfügungsverluste liegen im Bereich von 4-5 dB.

  • Maximale Eingangs-/Ausgangsleistung:

Die typische maximale Eingangsleistung liegt im Bereich von 50 mW (17 dBm). Diese Maximalleistung ist im Allgemeinen eine Durchschnittsleistung. Man kann diese Grenze / dieses Problem also überwinden, indem man anstelle eines CW-Signals ein gepulstes Signal an die Eingangsfaser anlegt. Das modulierte Eingangssignal kann durch einen AOM (siehe AOM-Übersicht oben) oder durch direktes Modulieren der Laserdiode erzeugt werden. Dies erzeugt jedoch einige andere Schwierigkeiten, die mit der Stabilität der Vorspannung des EOM verbunden sind (siehe unten).

Abbildung 6: Beispiel einer gepulsten Konfiguration zur Überwindung der durchschnittlichen Eingangsleistungsbegrenzung von EOMs
  • Stabilität der Vorspannung:

Dies ist eines der schwierigsten technischen Probleme bei der Verwendung eines EOM. EOMs driften im Allgemeinen aufgrund thermischer Inhomogenität usw. Dadurch verschiebt sich die Übertragungsfunktion (siehe Bild 6) in horizontaler Richtung und das Modulationssignal wird auf einen wechselnden Arbeitspunkt gelegt. Dies kann die Qualität der Modulation beeinträchtigen.

Fiber modulator EOM V-bias
Abbildung 7: Übertragungsfunktion eines Intensitätsmodulators

Um den Intensitätsmodulator zu betreiben und die gewünschte Modulation zu erhalten, muss der Benutzer zwei getrennte Spannungen an den Modulator anlegen: (1) eine Modulationsspannung V(t) und (2) eine Gleichspannung (auch V-bias genannt). Die Vorspannung wählt den gewünschten Arbeitspunkt aus und kompensiert die Drift, um stabilere Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten.

Fiber modulator complete EOM setup
Abbildung 8: Ein typischer Aufbau zum Ansteuern eines EOM erfordert 5 Arten von Elektronik: 1-Laserdiodentreiber, 2-globale Synchronisation, 3-schnelle Modulation, 4-HF-Verstärker, 5-V-Vorspannungselektronik

Viele Anbieter bieten den im obigen Blockschaltbild beschriebenen Laserdiodentreiber an. Es ist wichtig, einen Impulsgeber zu finden, der stabile, saubere Impulse im Zeitbereich von Nanosekunden erzeugt. Hier ist ein Beispiel für einen gut spezifizierten gepulsten Laserdiodentreiber .

Das in Abbildung 4 gezeigte Produkt kann effizient als zweite „Synchronisations“-Elektronikquelle verwendet werden, auf die in Abbildung 8 Bezug genommen wird.

Ein weiteres erwähnenswertes AeroDIODE-Produkt kombiniert die vier ersten Elektronikfunktionen von Abbildung 8 oben mit einer sehr guten technischen Leistung. Siehe diesen Link: Hochgeschwindigkeits-Laserdiodentreiber und Abbildung 10 unten. Dieser Pulstreiber ist in der Lage, einen Butterfly-Laserdioden-Seeder gleichzeitig im Puls oder CW (#1) anzusteuern und zu steuern, mehrere Synchronisationssignale zu erzeugen (#2) den EOM mit einer programmierbaren Pulsform mit einer zeitlichen Auflösung von bis zu 500 Pikosekunden anzusteuern (# 3 und 4).

Fiber modulator Shaper
Abbildung 10: Shaper-Board für EOM-Ansteuerung, kombiniert einen Laserdiodentreiber, eine Synchronisationselektronik mit mehreren Ausgängen und einen programmierbaren 5-V-Shape-Ausgang, um einen EOM mit 2 GHz Bandbreite und 48 dB Dynamikbereich anzusteuern

Der in Abbildung 8 gezeigte fünfte Block ist sehr wichtig, wenn eine hohe Stabilität erforderlich ist (was fast immer der Fall ist). Hier sind drei Produkte, die von namhaften Herstellern erhältlich sind:

Eine Hauptschwierigkeit im Zusammenhang mit dem in Abbildung 7 gezeigten Aufbau tritt auf, wenn ein Benutzer mit einem Impulsregime mit sehr niedrigem Arbeitszyklus arbeiten muss. Der niedrige Leistungspegel reicht möglicherweise nicht aus, damit die Vorspannung-Elektronik die Kontrolle über den Bias-Pegel behalten kann. Dabei spielt der Unterschied zwischen den Elektronik-Produktgenerationen eine wichtige Rolle.

Einige Beispiele einiger wichtiger technischer Parameter von EOM-Modellen, die um 1064 nm und 1550 nm erhältlich sind, sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Wellenlänge (nm) Bandbreite (GHz) Extinktionsverhältnis (dB) Einfügungsdämpfung (dB)
1064 10 18 4.5
1064 (doppelt) 10 50 4,0
980-1150 12 30 3,5
1530 – 1625 12 3,5/2,7
1525 – 1605 14 20 4,0

Optischer Halbleitermodulator: SOM (SOA-basierte Modulation)

Optische Halbleiterverstärker (SOA) sind eine etablierte Alternative zu CW EDFAs (Erbium Doped Fiber Amplifiers) und werden verwendet, um ein gepulstes Signal zu verstärken. Ein Semiconductor Optical Modulator (SOM) nutzt die SOA-Technologie anders als herkömmliche SOA-Verstärker (Abbildung 10). Die optische Halbleitermodulation verwendet einen SOA als Fasermodulator mit potenziell negativer Einfügungsdämpfung (dh Verstärkung). In diesem Fall wird ein CW-Laserdiodensignal an den SOA angelegt, und es ist der Strompegel, der den SOA antreibt, der mit GHz-Geschwindigkeit EIN/AUS geschaltet wird . Dieses modulierte Signal kann auch angepasst und geformt werden, um vielen neuen Anwendungen gerecht zu werden.

Fiber modulator SOA principle
Abbildung 10: SOA verhält sich, wenn es mit einer bestimmten Elektronik angesteuert wird, wie ein Fasermodulator ohne Einfügedämpfung (SOM: Semiconductor Optical Modulator)

Die Verwendung von SOA bietet gegenüber anderen Lösungen eine Reihe von Vorteilen:

  • Der dynamische Bereich eines SOM ist im Allgemeinen höher als der eines EOM oder eines AOM. Zum Beispiel sind EOMs oft beschränkt auf< 30 dB und oft weniger, da eine starke Polarisationsabhängigkeit besteht.
  • Ein SOM weist keine Polarisationsrotationsabhängigkeiten auf, wohingegen sowohl ein EOM als auch ein AOM typischerweise für Polarisationsabhängigkeiten anfällig sind.
  • Das Spektrum einer SOM bleibt über den gesamten Puls gleich, während beim direkten Pulsen einer Laserdiode der Anwender die unerwünschten spektralen Effekte beachten muss, die durch die Kopplung von Frequenz-/Phasenspektrum und Intensitätsprofil auftreten können.

Man muss jedoch auf drei wichtige Merkmale achten:

  • Bei PM-SOAs ist das hohe Extinktionsverhältnis polarisationsabhängig, und es ist häufig erforderlich, am Ausgang einen Polarisator (im Allgemeinen einen Isolator wegen seiner polarisierenden Eigenschaften) hinzuzufügen, um die sehr hohen Extinktionsverhältnisniveaus zu erreichen.
  • SOA-Technologien können von Anbieter zu Anbieter sehr unterschiedlich sein. Ein Schlüsselparameter ist der Reflexionspegel des Ausgangsteils, der in einigen Fällen einen gewissen Laserbetrieb stimulieren kann. Zwischen der Eingangslaserdiode und dem SOA ist häufig ein Isolator erforderlich.
  • Abhängig von der Konfiguration und der Eingangslaserdiodenleistung möchte man möglicherweise die Fähigkeit des SOA nutzen, das Eingangssignal zu verstärken. Dies ist möglicherweise interessant, kann aber auch ein kleines ASE-Signal erzeugen. Ein ASE-Filter kann in einigen Integrationskonfigurationen relevant sein.

Bei Verwendung eines SOM sind Extinktionsverhältnisse von bis zu 70 dB möglich. Die maximale Eingangsleistung ist im Allgemeinen nicht viel höher als die Sättigungsleistung von typischerweise 50 mW (17 dBm).

Wenn ein sehr hohes Extinktionsverhältnis erforderlich ist, ist die beste Wahl, einen PM-SOA (mit dem entsprechenden optimierten Treiber) zu verwenden und die Verstärkungseigenschaften des SOA zu nutzen. Auf diese Weise bewirken die geringe angelegte Leistung und die Absorption des SOA, dass das Licht pW-Niveaus erreicht, wenn kein Strom angelegt wird, während es beispielsweise 100 mW erreichen kann, wenn der Nennstrom angelegt wird, dh> 80-dB-Unterdrückung zwischen „Ein“- und „Aus“-Regimen. Das Extinktionsverhältnis wird sogar verbessert, indem nach dem SOA ein Isolator hinzugefügt wird, der das Restlicht der schnellen Achse blockiert.

AeroDIODE bietet drei Modelle von gepulsten Open-Frame-SOA-Treiber- und Steuermodulen an, die mit den Pin-Konfigurationen und der Gehäusegröße der meisten kommerziell erhältlichen SOAs kompatibel sind. Siehe diesen Link: SOA-Impulstreiber

Fiber modulator Aerodiode SOA
Abbildung 12: AeroDIODE SOA-Treiber, der Licht mit einem sehr hohen Extinktionsverhältnis von mehr als 50 dB bis auf 1 ns herunter modulieren kann.

AeroDIODE bietet auch 3 komplette schlüsselfertige Lösungen für SOM -Glasfasermodulatoren an. Diese SOM werden mit einer breiten Auswahl an SOAs von 775 nm bis 1625 nm angeboten. Strom- und Temperaturregelkreise sowie Sicherheitsgrenzen sind voreingestellt und optimiert, um im gepulsten Modus höchste Leistung zu gewährleisten. Siehe diesen Link: Glasfaser-Modulator .

Fiber modulator SOM-std
Abbildung 13: Schlüsselfertiges SOM mit mehreren interessanten Funktionalitäten und USB-Steuerung. Quadratische Version: Die Impulsbreite kann intern eingestellt oder extern mit einem LVTTL-Signal getriggert werden. Die Spitzenleistung wird intern mit bis zu 60 dB Auflösung oder extern mit einem rein analogen 0-5 V Signal eingestellt.
Fiber modulator SOM-shape
Abbildung 14: Schlüsselfertiges SOM mit mehreren interessanten Funktionalitäten und USB-Steuerung: Benutzerdesign-Pulsform-Version mit internem AWG. Die Form des Ausgangspulses kann von 0,5 ps bis zu 8 µsec mit 2 GHz Bandbreite und 48 dB Dynamikbereich konfiguriert werden.
Fiber optic modulator SOM 1 nanosecond pulse
Abbildung 15: ~1 Nanosekunden-Puls, erhalten mit einem CW-DFB-Eingangssignal bei 1064 nm unter Verwendung von AeroDIODE SOM-std

Interessant ist, dass eine SOA beispielsweise auch als Pulspicker eingesetzt werden kann. Aber man sollte die Begrenzung dieser Lösung kennen, die mit dem Energieniveau/der Spitzenleistung des ankommenden Impulses verbunden ist.

Fiber coupled modulator
Abbildung 16: Kann eine SOA als Pulspicker von beispielsweise PS-Pulsen verwendet werden? Das obige Diagramm zeigt das Extinktionsverhältnis von 230 ps Pulsen, die eine AeroDIODE-SOM bei 1064 nm durchlaufen. Es funktioniert gut für Pulse mit niedriger Energie, aber das Extinktionsverhältnis verschlechtert sich, wenn Pulse mit höherer Energie betrachtet werden. Ziehen Sie in diesem Fall dafür das AOM vor. (Anmerkung: Die relativ niedrigen Extinktionsleistungen hier hängen mit der Tatsache zusammen, dass wir PS-Impulse mit hoher Spitzenleistung in Betracht ziehen.)


Direkte Laserdiodenmodulation

Das Letzte, aber nicht Unwichtigste)  Eine Lösung zum Modulieren des Lichts einer fasergekoppelten Laserdiode besteht darin, eine direkte Modulation unter Verwendung eines Stromtreibers mit Impulssteuerungselektronik anzuwenden. Ein Beispiel für eine Impulsbreite von 3 Nanosekunden ist unten gezeigt. Man kann die Spitze des Gain-Schalters zu Beginn des Pulses sehen. Dies ist eine Relaxation der Ladungsträger innerhalb der Laserdiode. Verstärkungsumschaltspitzen können nützlich sein, wenn man diesen Verstärkungsumschaltspitzenimpuls isolieren und ~100-Pikosekunden-Impulse erhalten möchte. Aber die Verstärkungsumschaltspitze ist typischerweise eine unerwünschte Eigenschaft. 

Fiber modulator : direct laser diode
Abbildung 17: Stabile Pulsbreite von 3 ns aus dem direkten Pulsen einer DFB-Butterfly-Laserdiode mit AeroDIODE CCS-Treiber. Zu Beginn des Impulses wird eine Verstärkungsumschalt-Spitze beobachtet.

Weltweit gibt es nur wenige Unternehmen, die sich auf die Herstellung kommerziell erhältlicher Laserdioden-Pulstreiber spezialisiert haben. Allerdings können die Pulsform bei kurzer Pulsbreite sowie die Anstiegs-/Abfallzeit und Jitter-Pegel von Hersteller zu Hersteller sehr unterschiedlich sein. Außerdem gibt es viele Hauptmerkmale und Zusatzfunktionen, die von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich sind, und auch die Benutzerfreundlichkeit sollte berücksichtigt werden.

Die Bandbreitenbeschränkungen resultieren aus der Geschwindigkeit der Elektronik auf der „Treiberseite“ und der Induktivität der Laserdiode auf der anderen Seite. Das Erreichen einer Anstiegs-/Abfallzeit von 5 Nanosekunden pro Ampere ist in einem EIN/AUS-Schaltmodus von vielen Anbietern möglich. Die Kombination von Modularität, Benutzerfreundlichkeit und hoher Leistung ist jedoch der schwierigste Teil bei der Entwicklung eines gepulsten Treibers.

AeroDIODE bietet vier EIN/AUS-Laserdioden-Schalttreibermodelle mit Schaltgeschwindigkeiten von 3 ns/A bis weniger als 0.5 ns/A. Ein weiteres Hochgeschwindigkeits-Laserdiodentreiber, das ebenfalls von AeroDIODE für die direkte Laserdiodenmodulation angeboten wird, heißt „Pulsformer“. Es handelt sich um das gleiche Produkt wie in Abbildung 10, jedoch konfiguriert für die direkte Laserdioden-Stromformung. Er enthält einen internen AWG und ist in der Lage, den Laserdiodenausgang mit einer Amplitudenauflösung von 48 dB und einer zeitlichen Auflösung von 500 Pikosekunden zu formen. Siehe diesen Link: Hochgeschwindigkeits-Laserdiodentreiber.

Fiber modulator Shaper
Abbildung 17: AeroDIODE Shaper-Modul zur Generierung spezieller, vom Benutzer entworfener ns-Impulsformen aus seinem eingebetteten AWG (Arbitrary Waveform Generator)
Fiber modulator pulse shaping
Abbildung 18: Spezielle optische Impulsform, die von einer DFB-Laserdiode nach ihrer Programmierung im Modul erhalten wurde (rechts)

Dieses Impulsformermodul ermöglicht dem Benutzer die Programmierung einer benutzerdefinierten Form mit einem AWG mit hoher Bandbreite und erzeugt die gewünschte benutzerdefinierte optische Impulsform. Wie in der Abbildung unten zu sehen, verfügt dieses Modul auch über eine spezielle interne Funktion, die es dem Benutzer ermöglicht, die Verstärkungsschalterspitze abzuschwächen:

Fiber modulator gains switch suppression
Abbildung 19: 3 ns Impulsformen aus einer DFB-Laserdiode, die von AeroDIODE-Shaper-Modulen angesteuert wird. Die linke Kurve hat eine Gain-Switch-Spitze, die auf dem Impuls rechts unterdrückt wird, indem die interne „Gain-Switch-Peak-Unterdrückung“-Funktion aktiviert wird.

Fazit

Die folgende Tabelle fasst die Vor- und Nachteile der verschiedenen Lösungen zusammen. AOMs sind interessant, wenn mehrere Watt Ausgangsleistung gesucht werden. EOMs sind trotz hoher Integrationskomplexität, niedrigem Extinktionsverhältnis und hoher Einfügungsdämpfung die schnellsten Lösungen. SOM(dh SOA, das in einer Modulatorkonfiguration mit einer speziellen Elektronik verwendet wird) hat eindeutig große Vorteile, wenn nach einer kostengünstigen Lösung mit GHz-Geschwindigkeit gesucht wird. SOA used in a modulator configuration with a special electronics) has clearly major advantages when looking for a cost-effective GHz speed solution. Direkte Laserdiode ist die billigste Lösung, aber seien Sie vorsichtig, dass sich die Wellenlänge entlang des Impulses verschiebt, und man muss die gute Ansteuerelektronik wählen, um eine minimale Spitzenleistung zu erreichen, wenn Sie nach weniger als 10 ns Impulsbreite suchen.

Abbildung 20: Die Vor- und Nachteile der vier primären technischen Ansätze zur Laserfasermodulation