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(shí)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(guò)程。調(diào)制時(shí)，其先將電信號(hào)(調(diào)幅)作用于電聲換能器，將電信號(hào)轉(zhuǎn) 化為超聲場(chǎng)、當(dāng)光波通過(guò)聲光介質(zhì)時(shí)，由于聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為攜帶信息的強(qiáng)度調(diào)制波。

圖：聲光調(diào)制器AOM

聲光調(diào)制器優(yōu)點(diǎn)：

聲光調(diào)制器AOM支持380~2500nm的各種波長(zhǎng)，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(duì)較高的光功率的場(chǎng)景，通常可達(dá)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(diǎn)：

開(kāi)關(guān)速度和插入損耗之間的相互影響，較快的切換速度會(huì)帶來(lái)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(shí)，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(dòng)電路。

圖：AOM+射頻驅(qū)動(dòng)

聲光調(diào)制驅(qū)動(dòng)器推薦廠家：

AeroDIODE -法國(guó) https://www.aerodiode.com

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(shí)，電光晶體的折射率將發(fā)生變化，結(jié)果引起通過(guò)該晶體的光波特性的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的相位、幅 度、強(qiáng)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(diǎn)是其優(yōu)秀的高速帶寬特性，其調(diào)制速率可達(dá)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(kù)科技：中國(guó)珠海

浦 丹光電：中國(guó)北京

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電光調(diào)制器（EOM）使用相對(duì)復(fù)雜，需要可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)來(lái)解決。使用EOM主要需要關(guān)注幾個(gè)參數(shù)：

插入損耗：

插入損耗水平因型號(hào)而異。通常，提高EOM的一個(gè)關(guān)鍵性能（即消光比）會(huì)對(duì)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(guò)在輸入光纖上施加脈沖 光克服最大輸入光功率這個(gè)限制?？梢酝ㄟ^(guò)AOM或直接調(diào)制激光二極管來(lái)產(chǎn)生調(diào)制的輸入信號(hào)，這也會(huì)帶來(lái)與偏置電壓穩(wěn)定性問(wèn)題。

圖４：通過(guò)脈沖光信號(hào)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(shí)技術(shù)難點(diǎn)之一。EOM通常受熱不均勻性影響而緩慢變化，進(jìn)而影響調(diào)制質(zhì)量。

圖：強(qiáng)度調(diào)制器的傳遞函數(shù)

為了控制強(qiáng)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(gè)單獨(dú)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(diǎn)并補(bǔ)償漂移，以保持穩(wěn)定。

圖 :EOM驅(qū)動(dòng)電路典型配置

當(dāng)用戶需要在非常低的占空比脈沖時(shí)，低電平的功率可能不足以使偏置電壓驅(qū)動(dòng)器能夠保持對(duì)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(hào)的放大，其具有芯片化、低功耗、支持全波段等優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)光放大器如EDFA（摻鉺光纖 放大器）的一種未來(lái)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(shí)其關(guān)注的指標(biāo)也與用作放大器時(shí)略有區(qū)別。

在用于光信號(hào)放大時(shí)，通常給SOA提供的穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流，確保SOA工作在線性區(qū)；在用于調(diào)制光脈沖時(shí)，其將連續(xù)光信號(hào)輸入到SOA，使用電脈沖控制SOA驅(qū)動(dòng)電流，進(jìn)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(kāi)始逐漸應(yīng)用到一些新的應(yīng)用中，如光纖傳感、激光雷達(dá)、OCT醫(yī)療成像等領(lǐng)域，尤其是一些對(duì)體積、功耗、消光比要求比較高的場(chǎng)景。

Figure 9 : 通過(guò)SOA調(diào)制光信號(hào)(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(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：

SOA/SOM的動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍更小。而SOM的消光比在某些情況下可以達(dá)到>70dB。

SOA/SOM偏振無(wú)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(shí)，則需要考慮頻率/相位光譜和強(qiáng)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(chǎng)景一些小型的短距離的光纖傳感系統(tǒng)，還可同時(shí)替代（AOM+EDFA）。在某些應(yīng)用場(chǎng)景下還可與前端的半導(dǎo)體光源即成為一個(gè)器件（DFB+SOA），如某些TOF LiDAR應(yīng)用或測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)應(yīng)用。

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

脈沖驅(qū)動(dòng)電路在關(guān)斷偏置時(shí)，會(huì)有很小的漏電流，這會(huì)對(duì)關(guān)斷消光比帶來(lái)較大的影響，因此驅(qū)動(dòng)電流在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，應(yīng)盡量確保無(wú)漏電流。如條件允許，在關(guān)斷時(shí)施加個(gè)一個(gè)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(dòng)電路設(shè)計(jì)。

某些情況下，需要用到SOA的放大特性，來(lái)放大光信號(hào)，以產(chǎn)生更高的消光比，但放大同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一部分ASE噪聲，如果需要控制ASE噪聲，可以增加一個(gè)波分濾波器來(lái)解決，或選用較好NF噪聲系數(shù)的SOA器件。

推薦的SOA廠家：

見(jiàn)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(jiàn)合八方

當(dāng)使用SOM/SOA時(shí)，消光比可高達(dá)70dB甚至80dB。當(dāng)需要非常高的消光比時(shí)，有時(shí)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(guò)這種方式，施加零驅(qū)動(dòng)電流（注意驅(qū)動(dòng)器盡量減少漏電流）或負(fù)偏置電流時(shí)，通過(guò)SOA的吸收使光在達(dá)到pW水 平，而在施加標(biāo)稱驅(qū)動(dòng)電流時(shí)可以達(dá)到SOA輸出則可以達(dá)到100 mW，即“開(kāi)”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(jí)SOA。

推薦以下驅(qū)動(dòng)器廠家：光谷互連-中國(guó)武漢

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南智銳捷-中國(guó)南京

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圖: SOA通過(guò)脈沖驅(qū)動(dòng)器生成的1ns脈沖

四、激光器直接調(diào)制

也可以通過(guò)直接控制激光器偏置電流方式來(lái)調(diào)制光信號(hào)，如下圖所示，通過(guò)直接調(diào)制獲得了一個(gè)3納秒脈沖寬度?？梢钥吹皆诿}沖 開(kāi)始時(shí)有一個(gè)尖峰，這是激光器載流子的弛豫帶來(lái)的。如果為獲得約100皮秒脈沖，可以利用這個(gè)尖峰。但是通常情況我們不希望有 這個(gè)尖峰。

圖 :通過(guò)直接調(diào)制DFB激光器獲得的一個(gè)3ns脈沖

短脈沖寬度下的脈沖形狀以及上升/下降時(shí)間和抖動(dòng)水平可能因驅(qū)動(dòng)電路而異。

調(diào)制帶寬主要取決于驅(qū)動(dòng)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(dá)到每安培5納秒的上升/下降時(shí) 間是可能的。然而，在開(kāi)發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)器時(shí)，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(guò)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(dòng)電流會(huì)帶來(lái)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(diǎn)。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(dòng)復(fù)雜度高，消光比 低。SOM（即SOA）是GHz速度和高消光比時(shí)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(diǎn)，選擇方案時(shí)重要的是準(zhǔn)確了解應(yīng)用需求，并熟悉各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，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(jì)中，使用SOA方案快速增長(zhǎng)，在一些測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)中傳統(tǒng)方案使用 雙級(jí)AOM，新的方案設(shè)計(jì)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