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

この論文では、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 つの変調方法 (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更する) 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、別名半導体変調）直接レーザー変調その中でも、AOMは終わり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キャリアに情報を記録するための物理プロセスです。変調を行う際、まず電気信号（振幅変調）を電気音響変換器に入力し、これを超音波場に変換します。光波が音響光学媒体を通過すると、音響光学作用によって光キャリアが変調され、情報を伝達する強度変調波となります。

2. 電気光学変調器(終了)

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、結晶の屈折率が変化し、その結果、結晶の光波特性が変化し、光信号の位相、振幅、強度、偏光状態が変調されるというものです。

図：EOMドライバ回路の典型的な構成

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、チップサイズ、低消費電力、全帯域のサポートなどの利点があり、EDFAなどの従来の光増幅器の将来的な代替手段です。エルビウム添加光ファイバー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、従来のSOA増幅器との使用方法が若干異なり、光変調器として使用する際に注目する指標も増幅器として使用する際に注目する指標と若干異なります。光信号増幅に使用する場合、SOAが線形領域で動作するように、通常、SOAに安定した駆動電流が供給されます。光パルス変調に使用する場合、連続光信号をSOAに入力し、電気パルスを使用してSOA駆動電流を制御し、SOAの出力状態を増幅/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、光ファイバーセンシング、LiDAR、OCT医療画像処理などの新しいアプリケーションに徐々に適用されています。特に、比較的高い体積、消費電力、消光比が要求されるシナリオで使用されます。

4. レーザー直接変調では、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。下の図に示すように、直接変調によって3ナノ秒のパルス幅が得られます。パルスの開始時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ます。約100ピコ秒のパルスを得たい場合は、このスパイクを利用できます。しかし、通常はこの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、周波数シフト機能があります。EOMは高速ですが、駆動が複雑で消光比が低くなります。SOM（SOA）はGHz速度と高い消光比に最適なソリューションであり、低消費電力、小型化などの特徴があります。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する必要があります。各変調方式には長所と短所があり、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熟知し、最も適切な方式を選択することが重要です。たとえば、分散型ファイバーセンシングでは、従来型の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、従来型の方式で2段AOMを使用していますが、新しい方式設計では、コスト削減、小型化、消光比の向上を目的としてSOA方式が採用されています。通信システムにおいて、低速システムは通常直接変調方式を採用し、高速システムは通常電気光学変調方式を使用する。