チュートリアル高速光ファイバー変調器の基礎
ファイバー強度変調器: このチュートリアルでは、ファイバー結合レーザーシステムにおいて、レーザー光の振幅（変調）をナノ秒またはサブナノ秒の時間領域で変化させるために最もよく使用される技術的アプローチの概要を説明します。
このチュートリアルでは、レーザー光ファイバー変調に対する4つの主要な技術的アプローチの長所と短所についてまとめています。 AOM（音響光学変調器）、EOM（電気光学変調器）、SOA（半導体光増幅器）の3つの外部変調方式と、レーザーダイオードを直接駆動する方式である。
音響光学変調器：AOM
光ファイバー変調器は、380nmから2500nmまでの様々な波長で利用可能です。 音響光学ファイバー結合素子変調の大きな利点は、これらの変調器が扱うことのできる光パワーが比較的大きいことです。 数ワット（場合によっては10ワット以上）に達する電力レベルでも動作するように仕様されています。 しかし、音響光学変調器（AOM）では、スイッチング速度と挿入損失のトレードオフが第一の難点である。 光ビームは、AOMに組み込まれた結晶の中で集光されるほど高速に切り替わるが、損失を被ることなく出力ファイバーに到達するのは難しくなる。 この技術の詳細については、以下の詳細な概要をご覧ください。 音響光学理論.
AOMのセットアップの価格を考える場合、ユーザーは3つの主要要素のトータルコストを考慮する必要があります。
- AOMコンポーネント本体
- RFドライバー
- 最終的には、RFドライバに応じて0-1Vまたは0-5Vを生成する高速スイッチング同期エレクトロニクスを使用します。
|
波長(nm) |
RF周波数 (MHz) | 最大入力電力 (W) | 立ち上がり時間 (ns) | 挿入損失 (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 |
多機能で使いやすい高速スイッチング同期エレクトロニクスモジュールの一例を図4に示す。 このモジュールは必須ではありませんが、パルスピッキングやAWG（Arbitrary Waveform Generator）など、複雑な同期のニーズに対応するための素晴らしい機能を兼ね備えています。 AeroDIODE社製パルスディレイジェネレータです。
電気光学変調器：EOM
電気光学変調器（EOM）の大きな特長は、10数GHzにも及ぶ帯域幅にあります。 この帯域をサポートする駆動用エレクトロニクスをユーザーが見つけなければならないことを心に留めておいてください。
EOMファイバーモジュレータのメーカーとして高い評価を得ている3社があります。
電気光学変調器（EOM）に関連するいくつかの困難は、全体のセットアップを複雑にすることで解決することができます。 EOMベースの変調設定を利用する場合、考慮し、正しく管理する必要があるいくつかのパラメータがあります。
- 挿入損失:
挿入損失のレベルは、モデルによって異なります。 一般に、EOM の主要な性能属性（例えば消光比）を向上させると、挿入損失にはマイナスの影響が出ることがあります。 一般的な挿入損失は4-5dBの範囲にあります。
- 最大入出力電力:
標準的な最大入力電力は50mW（17dBm）の範囲です。 この最大出力は、一般に平均的な出力である。 そこで、入力ファイバーにCW信号の代わりにパルス信号を印加することで、この制限や問題を克服することができる。 変調された入力信号は、AOM（上記のAOMの概要を参照）または直接レーザーダイオードを変調することによって生成することができます。 しかし、この場合、EOMのVバイアスの安定性に関して、別の困難が生じる（下記参照）。
- Vバイアスの安定性 :
これは、EOMを使用する際に最も難しい技術的な問題の一つである。 EOMは一般に熱的な不均一性などによりドリフトします。 これにより、伝達関数（図6参照）が水平方向に移動し、変化する動作点に変調信号が印加される。 これは、変調の品質に影響を与える可能性があります。
強度変調器を動作させ、所望の変調を得るためには、ユーザーは2つの別々の電圧を変調器に印加する必要がある。 バイアス電圧は、より安定した動作状態を保つために、目的の動作点を選択し、ドリフトを補償するものです。
上のブロック図で説明したレーザーダイオードドライバーは、多くのサプライヤーから提供されています。 ナノ秒の時間領域で安定したきれいなパルスを発生させるパルサーを見つけることが重要です。 ここでは、仕様の良いパルスレーザーダイオードドライバーの例を紹介します。
図4に示した製品は、図8で言及されている第2の「同期」電子源として効率的に使用することができます。
もう一つのAeroDIODE製品は、前述の図8の4つの最初のエレクトロニクス機能を非常に優れた技術的性能と組み合わせています。 高速レーザーダイオードドライバーと図10をご覧ください。 このパルスドライバは、バタフライレーザーダイオードSEEDERをパルスまたはCWで同時に駆動制御し（#1）、複数の同期信号を生成し（#2）、500ピコ秒までの時間分解能でプログラム可能なパルス形状でEOMを駆動できます（#3、4）。
図8に 示す5番目のブロックは、高い安定性が要求される場合（ほぼ常にそうである）、非常に重要である。 ここでは、信頼できるメーカーから発売されている3つの製品を紹介します。
図7は、低デューティーサイクルのパルスを使用する場合に発生する大きな問題です。 低レベルの電力では、Vバイアスエレクトロニクスがバイアスレベルを制御し続けることができないかもしれません。 ここでは、エレクトロニクス製品の世代の違いが重要な役割を担っています。
1064nmと1550nm付近で利用可能なEOMモデルの主要な技術パラメータの例を下表に示します。
| 波長 波長 | 帯域幅 (GHz) | 消光比 (dB) | 挿入損失 (dB) |
| 1064 | 10 | 18 | 4.5 |
| 1064（ダブル） | 10 | 50 | 4.0 |
| 980-1150 | 12 | 30 | 3.5 |
| 1530 – 1625 | 12 | – | 3.5/2.7 |
| 1525 – 1605 | 14 | 20 | 4.0 |
半導体光変調器：SOM（SOAベース変調器）
半導体光増幅器（SOA）は、CW EDFA（Erbium Doped Fiber Amplifiers）の代替として確立され、パルス信号の増幅に使用されます。 半導体光変調器（SOM）は、従来のSOAアンプとは異なる方法でSOA技術を利用したものです（図10）。 半導体光変調は、SOAを光ファイバ変調器として 利用し、負の挿入損失（≒ゲイン）を持つ可能性があります。 この場合、SOAにはCWレーザーダイオード信号が印加され、GHzの速度でON/OFFされるSOAを駆動する電流レベルである。 また、この変調信号は、多くの新しいアプリケーションに対応するために、カスタマイズして成形することができます。
SOAを利用することは、他のソリューションと比較して、多くの利点があります。
- SOMのダイナミックレンジは、EOMやAOMよりも広いのが一般的である。 例えば、EOM は< 30dB に制限されることが多く、偏波依存性が強いためそれ以下であることも多い。
- SOMは偏光回転依存性がないが、EOMとAOMは偏光依存性があるのが一般的である。
- SOMのスペクトルはパルス全体に渡って同じであるが、レーザーダイオードを直接パルス照射する場合、周波数/位相スペクトルと強度プロファイルのカップリングから生じる望ましくないスペクトルを考慮する必要がある。
しかし、3つの重要な特徴に注意する必要があります。
- PM SOAでは，高い消光比は偏光依存であり，非常に高い消光比レベルに到達するためには，出力に偏光子（一般的には偏光特性を持つアイソレータ）を追加する必要がある場合が多い。
- SOAの技術は、サプライヤーによって大きく異なることがあります。 重要なパラメータは、場合によってはレーザー動作を刺激する出力部の反射レベルである。 入力のレーザーダイオードとSOAとの間にアイソレータが必要な場合が多い。
- 構成と入力レーザーダイオードのパワーによっては、入力信号を増幅するSOAの能力を利用することもできる。 これは潜在的に面白いのですが、これも小さなASEシグナルを発生させることができます。 ASEフィルターは、いくつかの統合構成に関連するかもしれません。
SOMを使用した場合、70dBという高い消光比が可能になる。 最大入力電力は，一般的に50mW（17dBm）の飽和出力よりそれほど高くはありません。
非常に高い消光比が必要な場合は，PM SOAを使用し（関連する最適化されたドライバを使用），SOAの増幅特性を利用するのが最良の選択となる。 このように、低電力の印加とSOAの吸収により、無電流時にはpWレベルに達する光が、公称電流を印加すると100mWに達する。つまり、>「オン」領域と「オフ」領域の間で80dBの消光が可能である。 また、SOAの後にファースト軸の残留光を遮断するアイソレータを追加することで、さらに消光比を向上させることができます。
AeroDIODEでは、市販のSOAのピン配置やパッケージサイズに対応したオープンフレームのPulsed SOAドライバーと制御モジュールを3モデル提供しています。 このリンクを参照してください。SOAパルスドライバ
SOAは、例えばパルスピッカーとしても使えるのが面白いところです。 しかし、このソリューションは、入力パルスのエネルギーレベル/ピークパワーに関連した限界があることを知っておく必要があります。
レーザーダイオード直接変調
ファイバー結合型レーザーダイオードからの光を変調するための最後の（しかし、最低でも） ソリューションは、パルス制御電子電流ドライバを使用して直接変調を適用することです。 3ナノ秒のパルス幅の例を以下に示します。 パルスの最初にゲイン切り替えのピークがあるのがわかる。 これは、レーザーダイオード内のキャリアが緩和されたものです。 ゲインスイッチピークは、このゲインスイッチピークパルスを分離して、〜100ピコ秒のパルスを得たい場合に有効です。 しかし、ゲインスイッチのピークは一般的に望ましくない性質を持っています。
市販のレーザーダイオードパルスドライバーを専門に製造している会社は、世界でも数少ない。 しかし、短いパルス幅でのパルス形状や、立ち上がり/立ち下がり時間、ジッターレベルはメーカーにより大きく異なることがあります。 また、主要な機能や付加機能は各メーカーによって異なることが多く、使い勝手も考慮する必要があります。
帯域幅の制限は、「ドライバー側」の電子機器の速度と、反対側のレーザーダイオードのインダクタンスの結果である。 多くのサプライヤーが提供するON/OFFスイッチングモードでは、1アンペアあたり5ナノ秒の立ち上がり/立ち下がり時間を達成することが可能です。 しかし、モジュール性、使いやすさ、高性能を両立させることは、パルスドライバを開発する上で最も難しい部分である。
AeroDIODEは 、3ns/Aから0.5ns/A以下のスイッチング速度を持つ4つのON/OFFレーザーダイオードスイッチングドライバモデルを提供しています。 また、AeroDIODEが提供するレーザーダイオード直接変調用の高速レーザーダイオードドライバー製品は、「Pulse-Shaper」と呼ばれています。 図10と同じ製品で、レーザーダイオードの電流を直接整形するように構成されています。 AWGを内蔵し、レーザーダイオード出力を48dBの振幅分解能と500ピコ秒のタイミング分解能で整形することが可能です。 詳細はこちら：高速レーザーダイオードドライバー
このパルスShaperモジュールは、高帯域のAWGでカスタマイズされた形状をプログラムし、希望のカスタム光パルス形状を生成することが可能です。 また、下図のように、このモジュールは、ユーザーがゲインスイッチのピークを緩和することができる特別な内部機能を有しています。
結論
下の表は、様々なソリューションの長所と短所をまとめたものです。 数ワットの出力を求める場合は、AOMが面白いですね。 EOMは、集積度の高さ、低い消光比、高い挿入損失にもかかわらず、最速のソリューションである。 SOM（すなわち SOA を特殊な電子回路で構成した変調器）には、費用対効果の高い GHz 速度ソリューションを求める場合、明らかに大きな利点があります。 ダイレクトレーザーダイオードは最も安価なソリューションですが、波長がパルスに沿ってシフトすることに注意し、10ns以下のパルス幅を求める場合は、最小ピークパワーに達するように良い駆動電子機器を選択する必要があります。
