4つの一般的な変調器の概要

4つの一般的な変調器の概要

本稿では、ファイバーレーザーシステムで最も一般的に使用されている4つの変調方式（ナノ秒またはサブナノ秒の時間領域でレーザー振幅を変化させる方式）を紹介します。これらには、AOM（音響光学変調）、EOM（電気光学変調）、SOM/SOA（半導体光増幅、半導体変調とも呼ばれる）、および直接レーザー変調その中で、AOMは、終了SOM は外部変調、または間接変調に属します。

1. 音響光学変調器（AOM）

音響光学変調は、音響光学効果を利用して光搬送波に情報を載せる物理プロセスです。変調では、まず電気信号（振幅変調）が電気音響変換器に印加され、電気信号は超音波場に変換されます。光波が音響光学媒体を通過すると、光搬送波は変調され、音響光学作用によって情報を運ぶ強度変調波となります。

2. 電気光学変調器（EOM）

電気光学変調器は、ニオブ酸リチウム結晶（LiNbO3）、GaAs結晶（GaAs）、タンタル酸リチウム結晶（LiTaO3）などの特定の電気光学結晶の電気光学効果を利用した変調器です。電気光学効果とは、電気光学結晶に電圧を印加すると、電気光学結晶の屈折率が変化し、結晶の光波特性が変化し、光信号の位相、振幅、強度、偏光状態の変調が実現されることです。

図: EOMドライバ回路の標準的な構成

3. 半導体光変調器/半導体光増幅器（SOM/SOA）

半導体光増幅器（SOA）は、通常、光信号増幅に使用され、チップ、低消費電力、すべてのバンドのサポートなどの利点があり、EDFA（エルビウム添加光ファイバ増幅器）。半導体光変調器（SOM）は半導体光増幅器と同じデバイスですが、使用方法は従来のSOA増幅器とは少し異なり、光変調器として使用する場合に着目する指標も増幅器として使用する場合とは若干異なります。光信号増幅に使用する場合、通常、SOAが線形領域で動作するように安定した駆動電流をSOAに供給します。光パルスの変調に使用する場合は、連続光信号をSOAに入力し、電気パルスでSOA駆動電流を制御し、SOA出力状態を増幅/減衰として制御します。SOAの増幅および減衰特性を利用して、この変調モードは光ファイバセンシング、LiDAR、OCT医療用イメージングなどの新しいアプリケーションに徐々に適用されてきました。特に、比較的高い体積、消費電力、消光比を必要とするシナリオに適しています。

4. レーザー直接変調は、レーザーバイアス電流を直接制御することで光信号を変調することもできます。下図に示すように、直接変調により3ナノ秒のパルス幅が得られます。パルスの先頭にスパイクがあることがわかりますが、これはレーザーキャリアの緩和によって生じています。100ピコ秒程度のパルス幅が必要な場合は、このスパイクを利用できます。ただし、通常はこのようなスパイクは不要です。

まとめ

AOMは数ワットの光出力に適しており、周波数シフト機能を備えています。EOMは高速ですが、駆動の複雑さが高く、消光比は低くなります。SOM（SOA）は、GHzの速度と高い消光比、低消費電力、小型化などの機能を備えた最適なソリューションです。直接レーザーダイオードは最も安価なソリューションですが、スペクトル特性の変化に注意してください。各変調方式には独自の長所と短所があり、方式を選択する際にはアプリケーション要件を正確に理解し、各方式の長所と短所を理解して、最適な方式を選択することが重要です。たとえば、分散ファイバーセンシングでは、従来のAOMが主流ですが、一部の新しいシステム設計では、SOA方式の使用が急速に増加しています。一部の風力LiDARでは、従来の方式は2段AOMを使用していましたが、新しい方式設計では、コストを削減し、サイズを縮小し、消光比を向上させるために、SOA方式が採用されています。通信システムでは、低速システムでは通常直接変調方式が採用され、高速システムでは通常は電気光変調方式が使用されます。