教程：高速光纤调制器基础
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。
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。 光束越是集中在AOM的嵌入式晶体内，它的切换速度就越快，但它越难在不遭受损失的情况下到达输出光纤。 如需了解这项技术的更多信息，您可以阅读以下内容的深入概述 声光理论.
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
|
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）。 此脉冲延迟发生器由AeroDIODE制造：
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。
3 家知名的 EOM 光纤调制器制造商是：
可以通过增加整体设置的复杂性来解决与电光调制器( EOM)相关的几个困难。 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）。
- 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 通常会发生偏移。 这会导致传递函数（参见图 6）在水平方向上移动，调制信号被应用到一个变化的操作点上。 这会影响调制的质量。
为了操作强度调制器并获得所需的调制，用户必须向调制器应用两个单独的电压：(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操作点并补偿偏移，以保持更稳定的工作条件。
许多供应商提供上述框图中描述的半导体激光管驱动器。 找到一个在纳秒时域内产生稳定、干净脉冲的脉冲发生器十分重要。 这是一个指定的脉冲半导体激光管驱动器的示例。
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AeroDIODE产品结合了上面图 8中前四个电子功能，技术性能良好。 请查看此链接：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) 驱动具有可调制脉冲形状的 EOM，时间分辨率低至 500 皮秒 (# 3 和 4）。
当需要高稳定性的时候（一直是如此），图 8中显示的第五个模块非常重要。 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模式进行操作时，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 (千兆赫） | 消光比（分贝） | 插入损耗（分贝） |
| 1064 | 10 | 18 | 4.5 |
| 1064（double） | 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 作为光纤调制器，具有潜在负插入损耗（即增益）。 在这种情况下，一个 CW 半导体激光管信号被应用到 SOA，它是驱动SOA的电流水平，在GHz速度下被打开/关闭。 这种调制信号也可以被定制和调制形状，用来适应许多新兴应用。
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 通常限于<30 dB，并且经常低于30 dB，因为它很容易发生偏振。
- SOM 没有偏振旋转的倾向，而 EOM 和 AOM 通常都容易受到偏振的影响。
- 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) 的饱和输出高很多。
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，应用的低功率和 SOA 的吸收使光在没有应用电流时可达到 pW 水平，而在应用额定电流时可以达到 100 mW，即>“开”和“关”状态之间消光 80 dB。 通过在SOA之后添加一个隔离器，阻挡快轴残余光，消光率可以得到改善。
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。 请查看此链接： SOA 脉冲驱动器
值得注意的是SOA 也可以用作脉冲选择器。 但人们应该知道这种解决方案的局限性，它与输入脉冲的能量/峰值功率水平有关。
直接半导体激光管调制
对来自 光纤耦合半导体激光管的光进行调制的最后一个解决方案是使用脉冲控制电子设备的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。 如果想隔离这个增益开关的峰值脉冲，获得100皮秒的脉冲，增益开关的峰值就会派上用场。 但是增益开关峰值通常是不良特性。
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造成的。 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被称为“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。 请查看此链接：高速半导体激光管驱动器。
该脉冲整形器模块允许用户使用高带宽 AWG 自定义脉冲形状，并生成所需的定制光脉冲形状。 如下图所示，该模块还有一个特殊的内部功能，允许用户减小增益开关峰值：
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性价比最高的解决方案，但要注意波长在整个脉冲中发生偏移，当需要小于 10 ns 的脉冲宽度时，建议选择良好的驱动电子设备，以达到最小峰值功率。
