Überblick über vier gängige Modulatoren
Diese Arbeit stellt vier Modulationsverfahren vor (Änderung der Laseramplitude im Nanosekunden- oder Subnanosekundenbereich), die in Faserlasersystemen am häufigsten eingesetzt werden. Dazu gehören AOM (akustooptische Modulation), EOM (elektrooptische Modulation) und SOM/SOA(Halbleiter-Lichtverstärkung, auch bekannt als Halbleitermodulation) unddirekte LasermodulationDarunter AOM,EOMSOM gehören zur externen Modulation bzw. zur indirekten Modulation.
1. Akustooptischer Modulator (AOM)
Die akustooptische Modulation ist ein physikalischer Prozess, der den akustooptischen Effekt nutzt, um Informationen auf einen optischen Träger zu übertragen. Bei der Modulation wird zunächst ein elektrisches Signal (Amplitudenmodulation) an einen elektroakustischen Wandler angelegt, der dieses in ein Ultraschallfeld umwandelt. Beim Durchgang der Lichtwelle durch das akustooptische Medium wird der optische Träger moduliert und durch die akustooptische Wirkung zu einer intensitätsmodulierten Welle, die Informationen transportiert.
2. Elektrooptischer Modulator(EOM)
Ein elektrooptischer Modulator nutzt die elektrooptischen Effekte bestimmter elektrooptischer Kristalle, wie beispielsweise Lithiumniobat (LiNbO₃), Galliumarsenid (GaAs) und Lithiumtantalat (LiTaO₃). Der elektrooptische Effekt besteht darin, dass sich beim Anlegen einer Spannung an den Kristall dessen Brechungsindex ändert. Dies führt zu einer Veränderung der Lichtwelleneigenschaften und ermöglicht die Modulation von Phase, Amplitude, Intensität und Polarisationszustand des optischen Signals.
Abbildung: Typische Konfiguration der EOM-Treiberschaltung
3. Halbleiteroptischer Modulator/Halbleiteroptischer Verstärker (SOM/SOA)
Halbleiteroptische Verstärker (SOA) werden üblicherweise zur optischen Signalverstärkung eingesetzt und bieten Vorteile wie Chipbauweise, geringen Stromverbrauch, Unterstützung aller Frequenzbänder usw. Sie stellen eine zukünftige Alternative zu herkömmlichen optischen Verstärkern wie EDFA dar.Erbium-dotierter FaserverstärkerEin Halbleiter-Lichtmodulator (SOM) ist im Prinzip dasselbe Gerät wie ein Halbleiter-Lichtverstärker (SOA), seine Verwendung unterscheidet sich jedoch geringfügig von der eines herkömmlichen SOA-Verstärkers. Auch die relevanten Parameter unterscheiden sich je nach Anwendungsfall. Bei der optischen Signalverstärkung wird dem SOA üblicherweise ein stabiler Ansteuerstrom zugeführt, um den linearen Betrieb zu gewährleisten. Bei der Modulation optischer Pulse werden dem SOA kontinuierliche optische Signale zugeführt. Der Ansteuerstrom des SOA wird mittels elektrischer Pulse gesteuert, wodurch der Ausgangszustand des SOA als Verstärkung oder Dämpfung reguliert wird. Aufgrund dieser Verstärkungs- und Dämpfungseigenschaften findet dieser Modulationsmodus zunehmend Anwendung in neuen Bereichen wie der optischen Fasersensorik, LiDAR, der medizinischen OCT-Bildgebung und anderen Feldern. Dies gilt insbesondere für Anwendungen, die ein hohes Volumen, einen hohen Stromverbrauch und ein hohes Extinktionsverhältnis erfordern.
4. Die Laser-Direktmodulation ermöglicht die Modulation des optischen Signals durch direkte Steuerung des Laser-Biasstroms. Wie in der Abbildung unten dargestellt, wird durch Direktmodulation eine Pulsbreite von 3 Nanosekunden erzielt. Am Pulsanfang ist ein Peak zu erkennen, der durch die Relaxation des Laserträgers verursacht wird. Dieser Peak kann genutzt werden, um einen Puls von etwa 100 Pikosekunden zu erzeugen. Üblicherweise ist er jedoch unerwünscht.
Zusammenfassend
AOM eignet sich für optische Ausgangsleistungen im Wattbereich und verfügt über eine Frequenzverschiebungsfunktion. EOM ist schnell, jedoch ist die Ansteuerung komplex und das Extinktionsverhältnis gering. SOM (SOA) ist die optimale Lösung für GHz-Geschwindigkeiten und ein hohes Extinktionsverhältnis bei gleichzeitig geringem Stromverbrauch, Miniaturisierung und weiteren Vorteilen. Direkte Laserdioden sind die kostengünstigste Lösung, jedoch sind Änderungen der spektralen Eigenschaften zu beachten. Jedes Modulationsverfahren hat seine Vor- und Nachteile. Daher ist es wichtig, die Anwendungsanforderungen genau zu verstehen, die Vor- und Nachteile der einzelnen Verfahren zu kennen und das am besten geeignete auszuwählen. Beispielsweise ist in der verteilten Fasersensorik das traditionelle AOM Standard, während in einigen neuen Systemdesigns der Einsatz von SOA-Verfahren rasant zunimmt. In einigen Wind-LiDAR-Systemen wird traditionell ein zweistufiges AOM verwendet. Um Kosten und Größe zu reduzieren und das Extinktionsverhältnis zu verbessern, kommt in neuen Systemdesigns das SOA-Verfahren zum Einsatz. In Kommunikationssystemen wird bei Systemen mit niedriger Übertragungsgeschwindigkeit üblicherweise das direkte Modulationsverfahren angewendet, während bei Systemen mit hoher Übertragungsgeschwindigkeit üblicherweise das elektrooptische Modulationsverfahren zum Einsatz kommt.
Veröffentlichungsdatum: 26. November 2024