Overzicht van vier veelgebruikte modulatoren

Overzicht van vier veelgebruikte modulatoren

Dit artikel introduceert vier modulatiemethoden (het veranderen van de laseramplitude in het nanoseconde- of subnanoseconde-tijdsdomein) die het meest worden gebruikt in glasvezellasersystemen. Deze omvatten AOM (akoestisch-optische modulatie), EOM (elektro-optische modulatie), SOM/SOA(halfgeleiderlichtversterking, ook wel bekend als halfgeleidermodulatie), endirecte lasermodulatieOnder hen bevindt zich AOM,EOMSOM behoort tot externe modulatie, oftewel indirecte modulatie.

1. Akoestisch-optische modulator (AOM)

Akoestisch-optische modulatie is een fysisch proces dat gebruikmaakt van het akoestisch-optische effect om informatie op een optische drager te laden. Bij modulatie wordt eerst een elektrisch signaal (amplitudemodulatie) toegevoerd aan een elektro-akoestische transducer, die het elektrische signaal omzet in een ultrasoon veld. Wanneer de lichtgolf door het akoestisch-optische medium gaat, wordt de optische drager gemoduleerd en verandert deze in een intensiteitsgemoduleerde golf die informatie draagt ​​dankzij de akoestisch-optische werking.

2. Elektro-optische modulator(EOM)

Een elektro-optische modulator is een modulator die gebruikmaakt van de elektro-optische effecten van bepaalde elektro-optische kristallen, zoals lithiumniobaatkristallen (LiNbO3), GaAs-kristallen (GaAs) en lithiumtantalaatkristallen (LiTaO3). Het elektro-optische effect houdt in dat wanneer er spanning op het elektro-optische kristal wordt aangelegd, de brekingsindex van het kristal verandert. Dit resulteert in veranderingen in de lichtgolfkarakteristieken van het kristal, waardoor de fase, amplitude, intensiteit en polarisatietoestand van het optische signaal gemoduleerd kunnen worden.

Afbeelding: Typische configuratie van een EOM-stuurcircuit

3. Halfgeleider optische modulator/halfgeleider optische versterker (SOM/SOA)

Halfgeleider optische versterkers (SOA's) worden doorgaans gebruikt voor het versterken van optische signalen. Ze hebben voordelen zoals een chip, een laag stroomverbruik en ondersteuning voor alle frequentiebanden. SOA's vormen een toekomstig alternatief voor traditionele optische versterkers zoals EDFA's.Erbium-gedoteerde vezelversterkerEen halfgeleider optische modulator (SOM) is hetzelfde apparaat als een halfgeleider optische versterker, maar de manier waarop deze wordt gebruikt verschilt enigszins van die van een traditionele SOA-versterker. Ook de indicatoren waarop de SOM zich richt bij gebruik als lichtmodulator verschillen enigszins van die bij gebruik als versterker. Bij gebruik voor optische signaalversterking wordt doorgaans een stabiele stuurstroom aan de SOA geleverd om ervoor te zorgen dat deze in het lineaire gebied werkt. Bij gebruik voor het moduleren van optische pulsen worden continue optische signalen aan de SOA toegevoerd, worden elektrische pulsen gebruikt om de stuurstroom van de SOA te regelen en vervolgens wordt de uitgangstoestand van de SOA (versterking/verzwakking) geregeld. Door gebruik te maken van de versterkings- en verzwakkingseigenschappen van de SOA wordt deze modulatiemodus steeds vaker toegepast in nieuwe toepassingen, zoals optische vezelsensoren, LiDAR, OCT-medische beeldvorming en andere gebieden. Dit geldt met name voor scenario's die een relatief groot volume, hoog stroomverbruik en een hoge extinctieverhouding vereisen.

4. Laser directe modulatie kan het optische signaal ook moduleren door de laserbiasstroom direct te regelen, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding. Een pulsbreedte van 3 nanoseconden wordt verkregen door directe modulatie. Er is een piek te zien aan het begin van de puls, die wordt veroorzaakt door de relaxatie van de laserdrager. Als je een puls van ongeveer 100 picoseconden wilt, kun je deze piek gebruiken. Maar meestal willen we deze piek niet.

Samenvattend

AOM is geschikt voor optische vermogensoutput van enkele watts en heeft een frequentieverschuivingsfunctie. EOM is snel, maar de aansturing is complex en de extinctieverhouding is laag. SOM (SOA) is de optimale oplossing voor GHz-snelheden en een hoge extinctieverhouding, met een laag stroomverbruik, miniaturisatie en andere voordelen. Directe laserdiode's zijn de goedkoopste oplossing, maar houd rekening met veranderingen in de spectrale eigenschappen. Elk modulatieschema heeft zijn eigen voor- en nadelen. Het is belangrijk om de toepassingsvereisten nauwkeurig te begrijpen bij het kiezen van een schema, de voor- en nadelen van elk schema te kennen en het meest geschikte schema te kiezen. Bijvoorbeeld, in gedistribueerde glasvezelsensoren is de traditionele AOM de belangrijkste, maar in sommige nieuwe systeemontwerpen neemt het gebruik van SOA-schema's snel toe. In sommige traditionele wind-LIDAR-systemen wordt een tweetraps AOM gebruikt, maar in nieuwe schema's wordt, om de kosten te verlagen, de afmetingen te verkleinen en de extinctieverhouding te verbeteren, het SOA-schema toegepast. In communicatiesystemen wordt bij lage snelheden doorgaans gebruikgemaakt van directe modulatie, terwijl bij hoge snelheden meestal gebruik wordt gemaakt van elektro-optische modulatie.