教程:高速光纤调制器基础

光纤强度调制器:本教程概述了光纤耦合激光系统中最常用于在纳秒或亚纳秒时域中改变激光幅度(调制)的技术方法。

完整 PDF 版本:光纤调制器

本教程总结了激光光纤调制的四种主要技术方法的优缺点。 其中三种基于外部调制: AOM(声光调制器)、EOM(电光调制器)、SOA(半导体光放大器) ,第四种是直接驱动半导体激光管。

Fiber modulators comparison
图 1:四种主要的激光光纤调制技术方法的优缺点

声光调制器:AOM

声光光纤调制器设备可用于从 380 nm 到 2500 nm 的各种波长。 声光光纤耦合器件调制的主要优点是这些调制器可以处理相对较高的光功率。 它们被指定在可以达到数瓦(在某些情况下超过 10 瓦)的功率水平下工作。 然而,对于声光调制器 (AOM) ,主要缺点是切换速度和插入损耗之间的权衡。 光束在AOM的嵌入式晶体中聚焦得越多,它的切换速度就越快,但它也越难以在没有损耗的情况下到达输出光纤。 有关该技术的更多信息,您可以查阅声光理论的深入概述。

3 AOM suppliers
图 2:AeroDIODE 的光纤耦合声光调制器。

在考虑 AOM 设置的价格时,用户应考虑三个关键要素的总成本:

  • AOM 组件本身
  • 射频驱动器
  • 最终,快速开关同步电子设备根据射频驱动器生成 0-1 V 或 0-5 V 的信号
3 products connected together to show how to interface them
图 3:使用驱动程序和如下所述的同步工具完成 AOM 设置。
AeroDIODE 提供的光纤耦合 AOM 设备在 1 µm 和 1.5 µm 左右具有良好的速度/插入损耗性能。 主要性能详见下表:

波长 (nm)

RF 频率 (MHz) 最大输入功率 (W) 上升时间 (ns) 插入损耗 (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

多功能、简单易用的快速开关同步电子模块示例如图 4 所示。 该模块不是强制性的,但它结合了大量功能以满足复杂的同步需求,包括脉冲拾取和 AWG(任意波形发生器)。 此脉冲延迟发生器AeroDIODE制造:

Fiber modulator synchronization tool
图 4:AeroDIODE 的快速开关同步电子器件示例 - 非常适合 AOM 脉冲拾取同步。

电光调制器:EOM

电光调制器 (EOM)的主要优势在于其带宽,可扩展到 10 GHz 范围。 需要记住的是用户必须找到支持此带宽的驱动电子设备。

Fiber modulator EOM
图 5:ixBlue(前 Photline)(左)和 EOspace(右)的电光强度调制器示例 –(由 iXBlue/EOspace 提供 - 网站)

3 家享有盛誉的 EOM 光纤调制器制造商是:

电光调制器( EOM)相关的几个困难可以通过增加整体设置的复杂性来解决。 如果您决定使用基于EOM的调制设置,则需要考虑并正确管理几个参数:

  • 插入损耗:

插入损耗水平因型号而异。 一般来说,提高 EOM 的一个关键性能属性(例如消光比)会对插入损耗产生负面影响。 典型的插入损耗在 4-5 dB 范围内。

  • 最大输入/输出功率:

典型的最大输入功率在 50 mW (17 dBm) 范围内。 该最大功率通常是平均功率。 因此,人们可以通过在输入光纤上应用脉冲信号而不是 CW 信号来克服这一限制或问题。 调制后的输入信号可以由 AOM(参见上面的 AOM 概述)或直接调制半导体激光管生成。 然而,这会产生一些与 EOM 的 V-bias 稳定性相关的其他困难(见下文)。

图 6:克服 EOM 平均输入功率限制的脉冲配置示例
  • V-bias 的稳定性:

这是使用 EOM 时最难管理的技术问题之一。 由于热不均匀性等原因,EOM 通常会偏移。 这会导致传递函数(参见图 6)在水平方向上移动,并且调制信号应用于变化的工作点。 这会影响调制的质量。

Fiber modulator EOM V-bias
图 7:强度调制器的传递函数

为了操作强度调制器并获得所需的调制,用户必须向调制器施加两个单独的电压:(1) 调制电压 V(t) 和 (2) 直流电压(也称为 V-bias)。 偏置电压选择所需的工作点并补偿偏移,以保持更稳定的工作条件。

Fiber modulator complete EOM setup
图 8:驱动 EOM 的典型设置需要 5 种电子器件:1-半导体激光管驱动器、2-全局同步器、3-快速调制器、4-射频放大器、5-V-bias 电子器件

许多供应商提供上述框图中描述的半导体激光管驱动器。 寻找在纳秒时域内产生稳定、干净脉冲的脉冲发生器非常重要。 这是一个指定的脉冲半导体激光管驱动器的例子。

图 4所示的产品可以有效地用作图 8中提到的第二个“同步”电子源。

另一个值得一提的AeroDIODE产品结合了上面图 8中具有非常好的技术性能的四个最重要的电子设备。 请参阅此链接:高速半导体激光管驱动器和下面的图 10。 该脉冲驱动器能够以脉冲/连续模式(#1) 同时驱动和控制蝶形半导体激光管种子源,生成多个同步信号 (#2) 驱动具有可编程脉冲形状的 EOM,时间分辨率低至 500 皮秒 (# 3 和 4)。

Fiber modulator Shaper
图 10:用于 EOM 驱动的整形板,结合了半导体激光管驱动器、多输出同步电子器件和 5 V 可编程形状输出以驱动具有 2 GHz 带宽和 48 dB 动态范围的 EOM

图 8中显示的第五个模块在需要高稳定性的时候(几乎总是如此)非常重要。 以下是知名制造商提供的三种产品:

当用户需要在非常低的占空比下使用脉冲状态进行操作时,就会出现与图 7所示设置相关的主要困难。 低功率水平可能不足以使 V-bias 电子设备能够保持对偏置水平的控制。 电子产品迭代之间的差异在这里起着重要作用。

下表列出了 1064 nm 和 1550 nm 附近可用的 EOM 型号的一些关键技术参数示例:

波长(nm) 带宽(GHz) 消光比 (dB) 插入损耗 (dB)
1064 10 18 4.5
1064(双) 10 50 4.0
980-1150 12 30 3.5
1530 – 1625 12 3.5/2.7
1525 – 1605 14 20 4.0

半导体光调制器:SOM(基于 SOA 的调制)

半导体光放大器 (SOA)是CW EDFA(掺铒光纤放大器)的成熟替代品,用于放大脉冲信号。 相比于传统的SOA放大器,半导体光调制器 (SOM) 以不同的方式利用了SOA 技术(图 10 )。 半导体光调制利用 SOA 作为具有潜在负插入损耗(即增益)的光纤调制器。 在这种情况下,一个 CW 半导体激光管信号被施加到 SOA并且它是以GHz速率打开/关闭的驱动 SOA 的电流电平。 这种调制信号也可以定制和整形,以适应许多新兴应用。

Fiber modulator SOA principle
图 10:当使用特定电子设备驱动 SOA 时,其行为类似于没有插入损耗的光纤调制器(SOM:半导体光调制器)

相比于其他解决方案,使用 SOA 有许多优点:

  • SOM 的动态范围通常高于 EOM 或 AOM。 例如,EOM 通常仅限于<30 dB,并且通常更少,因为它具有很强的极化依赖性。
  • SOM 没有偏振旋转依赖性,而 EOM 和 AOM 通常都容易受到偏振依赖性的影响。
  • SOM 的光谱在整个脉冲中保持不变,而当直接对半导体激光管进行脉冲时,用户必须考虑频率/相位光谱和强度分布耦合可能产生的不良光谱效应。

然而,需要注意三个重要特征:

  • 对于保偏SOA,高消光比取决于偏振,并且通常需要在输出端添加偏振器(通常是其偏振特性的隔离器)以达到非常高的消光比水平。
  • SOA 技术可能因供应商而异。 一个关键参数是输出部分的反射水平,它在某些情况下可以激发一些激光操作。 在输入半导体激光管和 SOA 之间通常需要一个隔离器。
  • 根据配置和半导体激光管输入功率,可能需要利用到SOA放大输入信号的能力。 但值得注意的是这也会产生一个小的 ASE 信号。 ASE 过滤器可能与某些集成配置相关。

使用 SOM 时,消光比可能高达 70 dB。 最大输入功率通常不会比典型的 50 mW (17 dBm) 的饱和输出高多少。

当需要非常高的消光比时,最好的选择是使用保偏SOA(带有相关的优化驱动器)并使用 SOA 的放大特性。 这样,施加的低功率和 SOA 的吸收使光在没有施加电流时达到 pW 水平,也就是说,在施加标称电流时它可以达到 100 mW,即>“开”和“关”状态之间消光 80 dB。 消光比可以通过在 SOA 之后增加一个隔离器来阻挡快轴剩余光来提高。

AeroDIODE提供三种型号的开放式脉冲 SOA 驱动器和控制模块,它们与大多数市售SOA 的引脚配置和封装尺寸兼容。 请参阅此链接: SOA 脉冲驱动程序

Fiber modulator Aerodiode SOA
图 12:AeroDIODE SOA 驱动器能够将光脉冲脉宽调制到低至1 ns,具有超过 50 dB的非常高的消光比。

AeroDIODE还提供 3 种完整的 SOM光纤调制器交钥匙解决方案。 这些 SOM 提供从 775 nm 到 1625 nm 的广泛SOA选择。 电流和温度控制电路以及安全限制已预先设定和优化,以确保脉冲模式下的最高性能水平。 请参阅此链接:光纤调制器

Fiber modulator SOM-std
图 13:具有多种值得注意的功能和 USB 控制的交钥匙 SOM。 方形版本:脉冲宽度可以在内部调整或通过 LVTTL 信号在外部触发。 峰值功率在内部以高达 60 dB 的分辨率进行调整,或在外部以纯模拟 0-5 V 信号进行调整。
Fiber modulator SOM-shape
图 14:具有多种值得注意的功能和 USB 控制的交钥匙 SOM:具有内部 AWG 的用户自定义脉冲形状版本。 输出脉冲的形状可配置为 0.5 ps 至 8 µs,带宽为 2 GHz,动态范围为 48 dB。
Fiber optic modulator SOM 1 nanosecond pulse
图 15:使用 AeroDIODE SOM-std 在 1064 nm 处通过输入 CW DFB 信号获得约1 纳秒脉冲

值得注意的是SOA 也可以用作脉冲选择器。 但是应该知道这种解决方案的局限性与输入脉冲的能量水平/峰值功率有关。

Fiber coupled modulator
图 16:SOA 能否用作脉冲选择器,例如 ps 脉冲? 上图显示了在 1064 nm 处通过 AeroDIODE SOM 的 230 ps 脉冲的消光比。 它适用于低能量脉冲,但在考虑更高能量脉冲时消光比恶化。 在这种情况下AOM为更优的选择。 (注意:这里相对较低的消光性能与我们正在考虑高峰值功率 ps 脉冲的事实有关)


直接半导体激光管调制

最后但同样重要的是 调制来自光纤耦合半导体激光管的光的解决方案是使用脉冲控制电子电流驱动器进行直接调制。 下面显示了 3 纳秒脉冲宽度的示例。 可以在脉冲开始时看到增益开关峰值。 这是半导体激光管内载流子的弛豫。 如果想要隔离此增益开关峰值脉冲并获得约 100 皮秒的脉冲,则增益开关峰值会很有用。 但是增益开关峰值通常是不建议的属性。 

Fiber modulator : direct laser diode
图 17:带 AeroDIODE CCS 驱动器的 DFB 蝶形半导体激光管直接脉冲产生的 3 ns 稳定脉冲宽度。 在脉冲开始时观察到增益开关峰值。

世界上很少有公司专门生产商用半导体激光管脉冲驱动器。 但是,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制造商而异。 此外,每个制造商都有许多关键特性和附加功能,并且还应考虑易用性。

带宽限制是“驱动器侧”电子设备速度和另一侧半导体激光管电感的结果。 许多供应商在开/关切换模式下可以达到每安培 5 纳秒的上升/下降时间。 然而,将模块化、易用性和高性能水平相结合是开发脉冲驱动器时最困难的部分。

AeroDIODE提供四种开/关半导体激光管开关驱动器型号,开关速度从 3 ns/A 到小于 0.5 ns/A。 另一种由 AeroDIODE 提供的用于直接半导体激光管调制的高速半导体激光管驱动器产品称为“脉冲整形器”。 它与图 10 所示的产品相同,但配置用于直接半导体激光管电流整形。 它包括一个内部 AWG,能够以 48 dB 幅度分辨率和 500 皮秒的定时分辨率对半导体激光管输出进行整形。 请参阅此链接:高速半导体激光管驱动器

Fiber modulator Shaper
图 17:AeroDIODE 整形器模块,用于从其嵌入式 AWG(任意波形发生器)生成特殊的用户自定义 ns 脉冲形状
Fiber modulator pulse shaping
图 18:DFB半导体激光管在模块内编程后获得的特殊光脉冲形状(右)

该脉冲整形器模块允许用户使用高带宽 AWG 对自定义形状进行编程,并生成所需的自定义光脉冲形状。 如下图所示,该模块还有一个特殊的内部功能,允许用户减轻增益开关峰值:

Fiber modulator gains switch suppression
图 19:由 AeroDIODE 整形模块驱动的 DFB 半导体激光管的 3 ns 脉冲波形。 左边的曲线有一个增益开关峰值,它通过激活内部“增益开关峰值抑制”功能在右边的脉冲上被抑制。

结论

下表总结了各种解决方案的优缺点。 当在寻找数瓦输出功率时需要注意AOM。 尽管集成复杂度高、消光比低和插入损耗高,但EOM是最快的解决方案。 在寻找具有成本效益的 GHz 速度解决方案时,SOM(即在具有特殊电子设备的调制器配置中使用的 SOA)具有明显的主要优势。 直接半导体激光管是最便宜的解决方案,但要注意波长在整个脉冲中发生偏移,当寻找小于 10 ns 的脉冲宽度时,需要选择良好的驱动电子设备以达到最小峰值功率。

图 20:激光光纤调制的四种主要技术方法的优缺点