光纤输出半导体激光器高速调制的方法：SOM/AOM/EOM/驱动调制，优缺点对比，AeroDIODE

本文综述了四种针对单模光纤耦合激光二极管在纳秒和亚纳秒时间尺度下进行高速激光调制的技术手段，并分析了各自的优缺点。按照调制器与激光器的相对位置，这些方法可分为内调制（通过控制激光泵浦源或谐振腔元件实现）和外调制（借助外部器件改变光束参数）。

三种基于外部激光高速调制：AOM（声光调制器）、EOM（电光调制器）、SOA（半导体光放大器），第四种是半导体激光调制，由驱动器直接进行激光二极管高速调制。处理高功率优选AOM方案，但是需要权衡速度与插入损耗；GHz级别的高带宽半导体激光器高速调制优选EOM，调制速度快，但系统复杂度和成本高，且严格要求偏置稳定性；高消光比（>50dB）、低插入损耗甚至增益可以选择SOM，且可以支持任意脉冲形状，适合GHz级纳秒调制，性价比高；激光器驱动器直接调制，根据所选的驱动器型号成本相对经济，但是存在增益开关效应和波长漂移。

四种单模光纤耦合调制的技术方法的对比：

AOM声光调制器：

AeroDIODE的声光光纤调制器可用于从380nm到2500nm波长。声光单模光纤耦合调制的主要优点是这些激光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，对于声光调制器单模光纤耦合调制(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，但在不遭受损失的情况下到达输出光纤就越困难。

我们还提供国产声光调制器，覆盖350nm至2200nm多个波段；频率从20MHz至1500MHz可选；插入损耗普遍低于3dB，部分高频或长波型号小于5–10dB；多数型号驱动功率<2W，低频型号可低至0.3W，适用于便携与低功耗系统。

在考虑AOM方案的成本时，用户应考虑三个关键要素：AOM组件本身、射频驱动器、快速开关同步电子设备根据射频驱动器生成0-1V或0-5V的信号。

使用驱动器和下方的同步工具完成AOM设置。

AeroDIODE提供的光纤耦合AOM设备在1µm和1.5µm左右具有良好的速度/插入损耗性能：

多功能、简单易用的快速开关同步电子模块——AeroDIODE脉冲延迟发生器TOMBAK示例如下图。该模块不是系统必须元件，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）。

AeroDIODE的快速开关同步电子器件示例-适用于AOM脉冲拾取同步

基于半导体光放大器SOA的SOM半导体光调制器

半导体光放大器(SOA)是连续波EDFA（掺铒光纤放大器）的成熟替代品，用于放大脉冲信号。不同于传统的SOA放大器，半导体光调制器(SOM)利用SOA作为具有潜在负插入损耗（即增益）的光纤调制器。此时将CW半导体激光管信号输入到SOA，驱动SOA的电流水平在GHz速度下开关。这种调制信号也可以定制和调制形状，适合许多新兴应用。

当使用特定电子设备驱动SOA时，其表现类似于没有插入损耗的单模光纤激光调制器（SOM：半导体光调制器）。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<30dB，并且经常低于30dB，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，需要额外注意一些重要特征：保偏SOA高消光比取决于偏振，通常要在输出端添加偏振器（一般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。有必要使用ASE过滤器。

使用SOM时，消光比可能高达70dB。最大输入功率不会比典型的50mW(17dBm)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的吸收使光在没有施加电流时可达到pW水平，而在施加额定电流时可以达到100mW，即“开”和“关”状态之间消光比超过80dB。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。

AeroDIODE SOA驱动器能够将光脉冲脉宽调制到低至1ns，具有超过50dB的非常高的消光比。

AeroDIODE还提供3种完整的SOM单模光纤激光调制器交钥匙解决方案。这些SOM提供从775nm到1625nm的SOA选择。电流和温度控制电路以及安全限制已预先设定和优化，以确保脉冲模式下的最高性能水平。另一版本脉冲宽度可以在内部调整或通过LVTTL信号在外部触发。峰值功率可在内部进行调整，分辨率高达60dB，或在外部以纯模拟0-5V信号进行调整。带内部AWG的用户自定义脉冲形状版本的输出脉冲的形状可配置为0.5ps至8µs，带宽为2GHz，动态范围为48dB。

使用AeroDIODE SOM-std在1064nm处通过输入CW DFB信号获得约1ns脉冲

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。

SOA能否用作脉冲选择器，例如ps脉冲？上图显示了230ps脉冲在1064nm波长下通过AeroDIODE SOM的消光比。对于低能量的脉冲，它的效果很好，但考虑到更高能量的脉冲时，消光比会恶化。在这种情况下AOM为更优的选择。(注意：这里的消光性能相对较低，这与我们考虑的是高峰值功率的PS脉冲有关。）

EOM电光调制器

电光调制器(EOM)的主要优势在于其带宽，可扩展到10GHz范围。但是需要驱动设备支持此带宽。可以通过增加整体设置的复杂性来解决与电光调制器(EOM)相关的几个难点。目前AeroDIODE不直接提供EOM，但是我们可以提供法国Exail的电光调制器。

如果决定使用基于EOM的调制设置，则需要考虑的第一点是插入损耗，插入损耗水平因型号而异。一般提高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4-5dB范围内。二是最大输入/输出功率，典型的最大输入功率在50mW(17dBm)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）或进行半导体激光调制生成。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）。

克服EOM平均输入功率限制的脉冲配置示例

三是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。

强度调制器的传递函数

为了操作强度激光调制器并获得所需的调制，用户必须向高速激光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。

上图是驱动EOM的典型设置需要5种电子器件：1-半导体激光管调制驱动器、2-全局同步器、3-快速调制器、4-射频放大器、5-V-bias电子器件。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。

AeroDIODE的TOMBAK可以有效地用作驱动EOM中提到的第二个“同步”电子源。

另一个AeroDIODE产品，用户可编辑脉冲形状的Shaper系列高速半导体激光调制驱动器，结合了上图驱动EOM中前四个电子功能，技术性能良好。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）。

用于EOM驱动的整形板，结合了半导体激光管驱动器、多输出同步电子器件和5V可调制形状输出，以驱动一个带2GHz带宽和48dB动态范围的EOM。当需要高稳定性的时候（一直是如此），驱动EOM的第五个模块非常重要。

iX-Blue的模拟MZ调制器偏置控制器、iX-Blue的PuLseMZ调制器偏置控制器、YY-labs的Mini-MBC（电光调制偏压控制器）是AeroDIODE推荐的产品。

当在非常低的占空比下使用脉冲模式进行操作时，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。不同代际的电子产品的性能差异在这里会非常明显。

下表为一些可用于1064nm和1550nm附近的EOM型号的关键技术参数示例：

驱动器直接进行激光二极管高速调制

光纤耦合半导体激光器高速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。

带AeroDIODE CCS驱动器的DFB蝶形半导体激光管直接脉冲产生的3ns稳定脉冲宽度。可以在脉冲开始时看到增益开关峰值。

专门生产商用半导体激光管脉冲驱动器的厂家有不少。但是不同厂家的产品在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会有差异。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3ns/A到小于0.5ns/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”，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48dB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。

AeroDIODE Shaper模块，用于从其嵌入式AWG（任意波形发生器）生成特殊的用户自定义ns脉冲形状

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：

由AeroDIODE整形模块驱动的DFB半导体激光管的3ns脉冲波形。左边的曲线有一个增益开关峰值，通过激活内部的"增益开关峰值抑制"功能，在右边的脉冲上被抑制。

结论

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10ns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。