强度调制器 Intensity modulators

2022-10-18 15:26:55 浏览:247

定义

可用于调制光束强度(功率)的设备。

有各种各样的光调制器,可以用来调制光的强度 - 或者更准确地说是光功率。 在许多情况下,输入光以自由空间激光束的形式传输,在其他情况下,通过波导(例如光纤)传输。 大多数调制器由在一定范围内变化的输入电压进行控制。

强度调制器可用于多种用途,例如在光学数据传输、激光打印机、激光材料加工或精确稳定光束的光功率中。

强度调制器可以基于许多不同的物理原理来实现。 以下各节介绍了最重要的类型。 它们在各种特性上有很大差异,这些特性对应用很重要:

  • 输入光通常是自由空间光束或在光纤(光纤耦合调制器)中传播。
  • 一些强度调制器,例如电光调制器,可以具有非常高的调制带宽,即,它们可以根据需要用于非常快速的调制,例如在光通信中。
  • 一些调制器几乎可以在0%至100%的整个范围内传输,而其他调制器则表现出高传输损耗或不允许强衰减。 规格可能包括消光比或以分贝为单位的动态范围。 例如,当从连续波输入产生脉冲时,高消光比很重要。
  • 一些强度调制器仅与偏振光束一起工作,而其他一些则以与偏振无关的方式工作。
  • 不同类型的驱动电压非常不同。 电光调制器通常需要特别高的驱动电压,请参阅有关Pockels电池驱动器的文章。
  • 一些调制器只是吸收光辐射的非透射部分(将该能量转换为热量),而其他调制器则以第二个输出光束的形式释放该功率。
  • 根据调制器的类型,允许的输入光功率可能大不相同。 过高的输入功率可能会导致调制器的损坏或仅暂时降低性能。
  • 其他具有实际重要性的方面可能是紧凑性、光束质量的保持以及对光波长和温度变化的敏感性。

声光调制器

图1:非谐振声光调制器的原理图设置。 换能器产生声波,其中光束部分衍射。

声光调制器(AOM)自然调制衍射光束和透射非衍射光束的光功率。 在施加零声信号的情况下,除了一些少量的寄生损耗外,全部入射功率在非衍射光束中传输。 如果施加一定的声功率,反射光束的功率近似于系数的平方符号,该系数本身与声功率的平方根成正比。 通常,最大衍射效率远低于100% – 通常为50%左右。

如果达到零输出功率很重要,通常必须使用衍射光束,但这限制了最大透射率。 对于非衍射光束,几乎完全透射是可能的,但在这种情况下,透射只能减少到例如50%。 在这两种情况下,可能的传输带宽都受到声波在晶体中的传播时间的限制。 因此,小孔径器件暂时适用于更高的调制带宽。

声光强度调制器用于各种应用,例如激光打印机、噪音吞噬器和激光器的主动模式锁定。

通常,声光强度调制器设计用于输入光束的某个偏振方向,但也存在在很大程度上与偏振无关的器件。

电光强度调制器

图2:电光强度调制器,在两个偏振器之间包含一个Pockels电池。

电光调制器是在波克尔斯电池的基础上设计的,波克尔斯电池作为相位调制器。然后,通过发送光通过偏光器,相位调制通常转换为强度调制。通常,输出功率与cos2 (cu)或sin2 (cu)成正比,其中C是一个常数,U是施加电压。常数C与Pockels电池的半波电压Uπ有关:C = π / (2 Uπ)。(详见Pockels细胞的文章) 。不幸的是,半波电压通常相当高——数百伏甚至更高,特别是对于具有大孔径的设备。 如果需要完整的传输范围(0 – 100%),这就增加了对驱动器电子设备的要求。

如果使用优化的电子驱动器,调制带宽可能非常高,这也需要应对Pockels单元的电容。

光纤耦合调制器可以实现相对较小的驱动电压,其中光辐射在晶体的明确定义区域中传播,因此允许使用孔径相当小的Pockels单元。

特别是对于波导器件,也可以使用干涉效应而不是偏振器来变换相位调制的强度调制。 例如,有马赫-曾德尔调制器,其中相位调制应用于马赫-曾德尔干涉仪的一个臂。

通常,当调制需要相当快时,会使用电光强度调制器。 它们中的大多数仅适用于某个极化方向。

电吸收调节器

电吸收调制器是基于弗朗茨-凯尔迪什效应工作的半导体器件。 它们通常对波导中的光起作用,并耦合到光纤或与其他组件一起放置在芯片上,例如与激光二极管一起形成电信发射器。 它们在光功率方面受到限制,但可以具有非常高的调制带宽。 与电光调制器相比,它们需要的驱动电压要小得多。

基于半导体光放大器的调制器

也可以使用半导体光放大器作为强度调制器。 在没有驱动电流的情况下,它提供一定程度的衰减(负增益),而当器件提供泵电流时,可实现一些正增益。 调制速度可能相当高,例如,产生矩形脉冲的上升和下降时间是亚纳秒级的。 当然,同时进行扩增也很有用。

与其他光调制器相比,此类器件表现出增益饱和并引入放大器噪声,但这并不适用于所有应用。 例如,基于SOA的调制器可用于为光纤放大器系统产生短座脉冲。 可实现的消光比可以超过50 dB,即远远优于声光或电光调制器。

液晶调制器

可以通过对液晶材料施加电压来调制光的偏振,并通过添加偏振器来获得强度调制。 这种液晶调制器可以在大孔径和低驱动电压下工作,但它们在调制带宽方面受到严重限制。

可以制造独立调制光束区域不同部分的器件(空间光调制器)。

光学器件

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