Волоконно-оптические модуляторы интенсивности используются для управления амплитудой лазерного излучения в диапазоне нано- и субнаносекунд. Такая модуляция необходима в приложениях, требующих высокой скорости переключения: от лазерной обработки и лидаров до квантовых технологий и оптических коммуникаций.
Существует четыре основных подхода к модуляции лазерного излучения в волоконных системах:
- Акустооптические модуляторы (AOM)
- Электрооптические модуляторы (EOM)
- Полупроводниковые оптические модуляторы на базе SOA (SOM)
- Прямая модуляция лазерного диода
Рассмотрим преимущества и ограничения каждого метода.
1. Акустооптические модуляторы (AOM)
Принцип работы:
В акустооптических модуляторах модуляция осуществляется за счёт взаимодействия света с акустической волной в кристалле (например, TeO₂). Это создаёт дифракционную решётку, управляющую интенсивностью проходящего света.
Преимущества:
- Поддержка высокой оптической мощности — до 10 Вт и выше
- Работа в широком диапазоне длин волн: 380–2500 нм
Недостатки:
- Компромисс между скоростью и потерями: чем выше скорость переключения (меньше время нарастания), тем выше вносимые потери из-за фокусировки пучка в кристалле.
- Требуется ВЧ-драйвер и, часто, внешняя синхронизирующая электроника.
Типичные параметры:
💡 Совет: для сложных задач синхронизации (например, «выборка импульсов») можно использовать специализированные модули с генератором произвольных форм (AWG).
2. Электрооптические модуляторы (EOM)
Принцип работы:
Изменение показателя преломления кристалла (LiNbO₃, LiTaO₃) под действием электрического поля позволяет управлять фазой или интенсивностью света.
Преимущества:
- Рекордная скорость: полоса пропускания до 10–14 ГГц
- Высокое качество модуляции при правильной настройке
Недостатки:
- Низкая допустимая мощность: обычно ≤ 50 мВт (17 дБм)
- Высокие вносимые потери: 3.5–5 дБ
- Критическая зависимость от смещения (V-bias): температурный дрейф смещает рабочую точку, что требует активной стабилизации
- Поляризационная зависимость
Типичные параметры:
⚠️ Важно: для стабильной работы EOM требуется двухканальный источник:
– переменное напряжение для модуляции,
– постоянное смещение (V-bias) для выбора рабочей точки.
– переменное напряжение для модуляции,
– постоянное смещение (V-bias) для выбора рабочей точки.
3. Полупроводниковые оптические модуляторы (SOM) на базе SOA
Принцип работы:
Постоянный лазерный сигнал подаётся на полупроводниковый оптический усилитель (SOA), а модуляция достигается переключением тока накачки SOA на скоростях до нескольких ГГц. В отличие от усилителя, здесь SOA работает как модулятор с возможным усилением («отрицательные потери»).
Преимущества:
- Высокая динамика: коэффициент подавления до 70–80 дБ
- Независимость от поляризации (в отличие от AOM/EOM)
- Сохранение спектра по всей длительности импульса
- Компактность и относительно низкая стоимость
Ограничения:
- Требуется изолятор на входе и выходе для подавления отражений и паразитной генерации
- При высокой мощности возможна генерация ASE-шума (усиленного спонтанного излучения)
- Для достижения максимального подавления рекомендуется использовать поляризационно-зависимые SOA (PM-SOA) с выходным изолятором
💡 Факт: при правильной настройке SOM может обеспечить переход от пиктоватт (pW) в «выключенном» состоянии до 100 мВт в «включённом» — это более 80 дБ подавления.
4. Прямая модуляция лазерного диода
Принцип работы:
Ток накачки лазерного диода управляется импульсным драйвером, что напрямую модулирует выходную мощность.
Преимущества:
- Самое простое и дешёвое решение
- Минимальное количество компонентов
Недостатки:
- Спектральный дрейф: длина волны смещается в течение импульса из-за изменения температуры и плотности носителей
- Пик усиления (gain-switching) в начале импульса — нежелательный артефакт при большинстве применений
- Ограничения по скорости из-за индуктивности корпуса лазера и характеристик драйвера
⚠️ Важно: для импульсов <10 нс требуется высокоскоростной драйвер с временем нарастания < 0.5 нс/А и возможностью формирования произвольной формы тока (например, для подавления gain-switch пика).
Сравнительная таблица модуляторов
Макс. мощность
Заключение
Выбор типа модулятора зависит от требований к мощности, скорости, качеству подавления и бюджету:
- AOM — лучший выбор при необходимости высокой оптической мощности.
- EOM — для максимальной скорости, несмотря на сложность настройки.
- SOM (SOA) — оптимальное решение для ГГц-модуляции с высоким подавлением и независимостью от поляризации.
- Прямая модуляция — подходит для бюджетных систем с умеренными требованиями.
Компания Fibet предлагает как отдельные драйверы для SOA и лазерных диодов, так и готовые модульные решения — от 775 нм до 1625 нм — обеспечивающие максимальную производительность в импульсном режиме.