Übersicht über vier gängige Modulatoren
In diesem Artikel werden vier Modulationsmethoden (Änderung der Laseramplitude im Nanosekunden- oder Subnanosekunden-Zeitbereich) vorgestellt, die am häufigsten in Faserlasersystemen verwendet werden. Dazu gehören AOM (akustooptische Modulation), EOM (elektrooptische Modulation), SOM/SOA(Halbleiter-Lichtverstärkung, auch Halbleitermodulation genannt) unddirekte Lasermodulation. Unter ihnen AOM,EOM,SOM gehören zur externen Modulation oder indirekten Modulation.
1. Akustooptischer Modulator (AOM)
Akustooptische Modulation ist ein physikalischer Prozess, der den akustooptischen Effekt nutzt, um Informationen auf optische Träger zu übertragen. Bei der Modulation wird das elektrische Signal (Amplitudenmodulation) zunächst an den elektroakustischen Wandler angelegt, der es in ein Ultraschallfeld umwandelt. Beim Durchgang der Lichtwelle durch das akustooptische Medium wird der optische Träger moduliert und wird durch die akustooptische Wirkung zu einer intensitätsmodulierten Welle, die Informationen trägt.
2. Elektrooptischer Modulator(Wahlkampf)
Ein elektrooptischer Modulator nutzt die elektrooptischen Effekte bestimmter elektrooptischer Kristalle wie Lithiumniobatkristalle (LiNbO₃), GaAs-Kristalle (GaAs) und Lithiumtantalatkristalle (LiTaO₃). Der elektrooptische Effekt besteht darin, dass sich beim Anlegen einer Spannung an den elektrooptischen Kristall dessen Brechungsindex ändert. Dies führt zu Änderungen der Lichtwelleneigenschaften des Kristalls und ermöglicht die Modulation von Phase, Amplitude, Intensität und Polarisationszustand des optischen Signals.
Abbildung: Typische Konfiguration einer EOM-Treiberschaltung
3. Optischer Halbleitermodulator/optischer Halbleiterverstärker (SOM/SOA)
Zur optischen Signalverstärkung wird üblicherweise ein optischer Halbleiterverstärker (SOA) verwendet, der die Vorteile eines Chips, geringen Stromverbrauchs, Unterstützung aller Bänder usw. bietet und eine zukünftige Alternative zu herkömmlichen optischen Verstärkern wie EDFA darstellt (Erbium-dotierter Faserverstärker). Ein optischer Halbleitermodulator (SOM) ist dasselbe Gerät wie ein optischer Halbleiterverstärker, wird jedoch geringfügig von einem herkömmlichen SOA-Verstärker verwendet, und die Indikatoren, auf die er sich bei der Verwendung als Lichtmodulator konzentriert, unterscheiden sich geringfügig von denen bei der Verwendung als Verstärker. Bei der optischen Signalverstärkung wird dem SOA üblicherweise ein stabiler Treiberstrom zugeführt, um sicherzustellen, dass der SOA im linearen Bereich arbeitet. Bei der Modulation optischer Impulse werden dem SOA kontinuierliche optische Signale zugeführt, der SOA-Treiberstrom wird durch elektrische Impulse gesteuert und der SOA-Ausgangszustand als Verstärkung/Dämpfung gesteuert. Aufgrund der Verstärkungs- und Dämpfungseigenschaften des SOA wird dieser Modulationsmodus schrittweise in einigen neuen Anwendungen eingesetzt, z. B. in der optischen Fasersensorik, LiDAR, der medizinischen OCT-Bildgebung und anderen Bereichen. Dies gilt insbesondere für Szenarien, die ein relativ hohes Volumen, einen hohen Stromverbrauch und ein hohes Extinktionsverhältnis erfordern.
4. Die Laserdirektmodulation kann das optische Signal auch durch direkte Steuerung des Laser-Biasstroms modulieren. Wie in der Abbildung unten dargestellt, wird durch die Direktmodulation eine Pulsbreite von 3 Nanosekunden erreicht. Man erkennt, dass zu Beginn des Pulses eine Spitze auftritt, die durch die Relaxation des Laserträgers entsteht. Für einen Puls von etwa 100 Pikosekunden kann diese Spitze genutzt werden. Normalerweise ist diese Spitze jedoch nicht erwünscht.
Zusammenfassen
AOM eignet sich für eine optische Ausgangsleistung von wenigen Watt und verfügt über eine Frequenzverschiebungsfunktion. EOM ist schnell, aber die Ansteuerung ist hochkomplex und das Extinktionsverhältnis niedrig. SOM (SOA) ist die optimale Lösung für GHz-Geschwindigkeit und hohes Extinktionsverhältnis mit geringem Stromverbrauch, Miniaturisierung und weiteren Merkmalen. Direkte Laserdioden sind die günstigste Lösung, beachten Sie jedoch die Änderungen der spektralen Eigenschaften. Jedes Modulationsschema hat seine eigenen Vor- und Nachteile. Bei der Auswahl eines Schemas ist es wichtig, die Anwendungsanforderungen genau zu verstehen und die Vor- und Nachteile jedes Schemas zu kennen, um das am besten geeignete Schema auszuwählen. Beispielsweise ist in der verteilten Fasersensorik das traditionelle AOM die Hauptanwendung, aber in einigen neuen Systemdesigns nimmt die Verwendung von SOA-Schemata schnell zu. In einigen Wind-LiDAR-Systemen verwenden traditionelle Schemata zweistufige AOM. Im neuen Schemadesign wird das SOA-Schema übernommen, um Kosten zu senken, die Größe zu reduzieren und das Extinktionsverhältnis zu verbessern. Im Kommunikationssystem wird im Niedriggeschwindigkeitssystem normalerweise das direkte Modulationsschema verwendet, während im Hochgeschwindigkeitssystem normalerweise das elektrooptische Modulationsschema verwendet wird.
Veröffentlichungszeit: 26. November 2024