集成光调制器
技术参数和使用说明
目 录
- 电光调制器
1.1集成光波导
2.1线性电光效应
3.1相位调制器
4.1振幅调制器
- 选择标准
2.1波长和波长范围
2.2光纤辫子和光的偏振
2.3光功率
2.4光谱宽度
- 技术参数
- 调制器的电学控制
4.1 调制器内部接线
4.2 调制器的驱动
4.3 铌算锂调制器的直流特性
- 应用实例
5.1 脉冲切片
5.2 脉冲抓取
6．术语描述
1. 电光调制器
1.1 集成光波导
集成光波导能够引导光沿确定的路径传输，类似于光纤。它们是在平面衬底上或者里面制作的，衬底的特性决定了波导的特性，例如电光调制。
Fig 1.1 集成光波导的设计图
与周围的材料相比，波导由折射率更高的同道组成（Fig 1.1）.折射率在通道壁的变化可以是阶梯状的，也可以像上图描述的平滑状的。光线通过通道壁上的全反射来引导。根据波长、衬底折射率、折射率的增加、通道的宽度和深度的不同而有一个或者多个传输振荡状态（模式）可以被激发。由于单模运作是许多集成光学元件的基本功能，因此单模运作备受关注。
集成光学元件通常带有光纤，尤其是在光通信技术中。为了获得与光纤的良好耦合系数，单模光波导深度和宽度通常为3到9微米，取决于波长。使用集成光波导可以实现各种元件，如Y-分量、偏振器、相位和振幅调制器、开关或者波长复用器。
1.2 线性电光效应
线性电光效应，又称Pockels-Effect，是一种光学二阶非线性效应。它描述了在外加电场作用下光学材料折射率的变化。折射率的变化与电场强度、方向和光的偏振度成正比。这种相互作用用电光张量来描述，并且主要是各向异性的。这种效应发生在极化材料中，包括铁电晶体。制造集成光调制器的首选材料是铌酸锂（LiNbO3）,它也用于本文所述的调制器。在这种晶体中，在晶体学Z方向（E3）和折射率为n3的偏振光。它相当于：
电光系数r33为33 pm/V。确定的函数要求使用线性偏振光。
1.3 相位调制器
如果用长度为L的电极将电场施加到波导上，在电极之间的区域折射率会发生变化，随后波导光发生相移。由于波导的横截面非常小，所以不可能通过放置电极来产生均匀的电场。因此，晶体表面上的共面电极排列是首选（Fig 1.2）。
Fig 1.2 相位调制器
产生的非均匀电场效率非常低，效率Γ小于1。在X切割晶体中制造的铌酸锂调制器中，效率Γ大约只有0.65.
Fig 1.3 相位调制器特征曲线
相位移动与外加电场成线性关系（Fig 1.3）。相位移动可以用以下公式描述：
半波电压Vπ导致π的相位移动，由以下公式计算：
这通常等于几伏特。在给定的电极几何形状下，较长的波长比较短的波长高。例如，红光波长635nm的半波电压为3V，通信波长1550nm的半波电压为10V。最大的可用电压大约±30V，波长635nm大约移动20π，波长1550nm大约移动6π。由于非常快的电光响应，加上低控制电压和复杂的行波电极几何形状，有可能再GHz范围内进行调制。
1.4 振幅调制器
将相位调制器插入集成的Mach-Zehnder 干涉仪中形成振幅调制器（Fig 1.4）。
Fig 1.4 Mach-Zehnder 振幅调制器
将电极置于干涉仪臂的推拉式排列是有利的。施加电压会导致支路相位差，从而通过干涉的方式引起设备输出功率的变化。因此，设备传输可以控制在一个最小值和一个最大值之间（Pmin to Pmax）。π的相位差是需要从打开到关闭的状态，反之亦然。所需的电压称为振幅调制器的半波电压Vπ。由于推拉式排列，振幅调制器的半波电压是相同电极长度的相位调制器的一半。例如，红光635nm处预计是1.5V，通信波长1550nm处预计是5V。消光比由最大输出和最小输出之比得到。通常为500：1在红光范围，1000：1在红外范围。输出功率对控制电压是周期性余弦式变化（Fig 1.5）：
Fig 1.5 调幅器特性曲线
工作值与理论值 V0=0不同。如果合适，它必须由特殊的电子设备控制。将射频信号作为调制电压施加到电极上，该电信号输入被转换成振幅信息（Fig 1.6）。这种振幅输出取决于电压的大小和形状，因此与调制器工作点的位置有关。该图形描述了二进制脉冲电信号输入转换为二进制光信号输出。如果电压不正确，即电压过高或偏移不正确，则调制器将与二进制操作中不正确的光输出等级或模拟运算中较高的谐波发生反应。
Fig 1.6 Mach-Zehnder 调幅器运算
2.选择标准
集成光调制器由LiNBO3组成可用于不同的应用和波长。根据不同的应用进行选择。
2.1 波长和波长范围
调制器的各种特性，特别是半波电压和插入损耗，取决于工作波长。当半波电压在较短波长处减小时，插入损耗增大，这主要是由于瑞利散射引起的，而吸收对插入损耗的影响较小。合适的调制器工作的可用波长范围（光谱或光带宽）受到波导模态行为的限制。它取决于衬底材料和中心波长。单模工作和调制保证在这个范围内。对于所制造的调制器的给定中心波长，调制器可以接受Fig 2.1中着色范围以外的激光波长。例如，在1064nm中心波长处的光带宽为±60nm，即调制器可在1000nm至1120nm之间工作。在较长的波长上，由于波导的截止，插入损耗增加；在较短的波长上，由于高阶振荡模式的干扰，调制不确定，分别导致振幅调制器的对比损耗或者相位调制器的残余幅调。
2.2 光纤辫子和光的偏振
线偏振光是保证调制器工作所必需的。由于铌酸锂使用的波导类型是极化的，如果输入极化不是线性的或者没有充分调整，就会造成传输损耗。
该调制器由标准长度为1米的光纤辫子制成。其它长度也是可以定制。在输入端光纤中需要保持极化。输出光纤也保持极化，但是也可以提供标准的单模（non-PM）光纤。光纤中的极化通常与应力棒呈慢轴像排列。标准的是领结型光纤。也可以提供熊猫光纤。为了防止反射光回射入光纤，光纤和调制器晶体之间的光学面呈一定角度。
设备可通过裸露的光纤端或光纤连接器交付，最好是FC/PC或带有8°表面抛光的FC/APC。极化与连接器键对齐，如Fig 2.3所示。标准的键宽为2.1mm（“宽键”）。如果需要，“小键”2mm可以安装。其他连接器或其他极化对准也可以提供。
Fig 2.2 在领结和熊猫中保持光纤极化
Fig 2.3 FC-连接器的极化对准
2.3 光功率
CW 模式
传输光功率取决于波长。波长1um以上传输光功率可以达到0.3W。红光波长范围20mW,绿光波长范围10mW。
脉冲模式
传输光功率取决于波长、脉冲宽度、重复频率和平均功率。这种行为并不适合用于所有的应用。例如，调制器能够工作在150fs，1064nm，重复频率80MHz，平均功率为50mW下。在光纤中，由于光纤的非线性色散，使得脉冲宽度和脉冲频谱扩宽。
光谱宽度
由于半波电压取决于波长，所以调制器设计在窄带波长下工作。由于干涉的工作原理，谱宽的增加导致振幅调制器的消光比降低。在接近零阶时，消光对大多数情况是足够的，但是高阶干涉时，消光会急剧减小。这对于脉冲工作模式也是有效的。Fig 2.4 波长为1064nm存在多阶干涉在CW模式和脉冲模式下的工作曲线。150fs，谱宽为8nm FWHM输入进光纤。当光纤传输时，脉冲扩展到3ps，30nmFWHM。这发生在光纤的1 cm处，调制器就不再影响光谱。按照最低阶，消光大约是1000：1，然后是100：1，然后是30：1，以此类推。
Fig 2.4 连续光和飞秒脉冲光的调制特性
3.技术参数
调制器可用于多种波长。如果激光器的波长接近所需波长，原则上在532nm和1650nm波长范围内都可以提供合适的调制器。某些标准波长的调制器数据如下图所示。
调幅器 AMXXX:
调幅器 AMXXXb:
相位调制器
尺寸和措施
调制器可用于标准情况。具体措施如下：
Fig 3.1 标准的相位和振幅调制器外壳（PMXXX，AMXXX）
Fig 3.2 带隔离偏置输入的振幅调制器外壳（AMXXXb）
4.调制器的电路控制
4.1调制器内部线路
1.标准相位和振幅调制器内部线路(AMXXX, PMXXX)
Fig. 4.1.a-标准布线图(AMXXX) Fig. 4.1.b-标准布线图(PMXXX)
Fig. 4.1.c-调制器外观(标准品)
PMXXX相位调制器和AMXXX振幅调制器内部都不含电学接口(Fig. 4.1.a-c)，调制器晶体上的电路都引到了两个外部SMA接口。接地电极与调制器外壳和SMA接口外壳连通。两个SMA接口，一个接射频控制信号，另一个接50Ω终端阻抗，防止射频反射，保护调制器和控制电路。射频输入阻抗为50Ω，两个SMA接口之间的欧姆电阻为5-10Ω，典型电容值为20pF左右。为了某些测试需要，或者连接后端电路，终端阻抗接口的50Ω阻抗可以去掉。整个调制器的电路和光路都为对称设计。在高速调制情况下(>500MHz)，光的传播方向需要和电的传播方向一致。
对于阶梯快脉冲电信号，调制器的最小光上升时间大概为200ps。偏置电压对于控制调制器的运行点比较重要，需要叠加到射频电压控制信号上面，这样就会在晶体热电极上产生一定的电流，从而使电极和终端负载的温度上升。这个问题可以通过使用特殊布线来消除，详细情况后面章节会介绍。
2. AMXXXb内部布线
Fig. 4.2.a-AMXXXb内部布线图
Fig. 4.2.b-AMXXXb调制器外形图
Fig. 4.2 a-b分别展示了射频输入与偏置输入单独配置的布线图和外观图。从图可以看出，调制器内部电路与调制器外壳是隔离的，热电极在内部与电阻相连并接地。接地电极通过电容器与地相连，实现射频连接，并将偏置单独分开。这样，偏置接口可以接1kHz(其他频率也可)的交流信号实现电容器的接通。对于阶梯快脉冲电信号，调制器的最小光上升时间大概为500ps。由于偏置与射频分离，热电极上不再产生电流，而偏置电路因为电容的容抗存在，会产生一定的电流，该电流与偏置信号频率有关，当偏置为直流DC时，电流为零。
3.标准配置振幅调制器实现射频与偏置分离
Fig. 4.3-标准振幅调制器的偏置分离布线图
在标准振幅调制器AMXXX的基础上，通过外部布线可以实现偏置电路与射频电路的分离，如图Fig. 4.3。调制器外壳通过电容器接地，调制器和外电路整体放在一个射频隔离罩中。在外界线足够短的情况下，该配置与AMXXXb具有同等性能，而且具有更高的灵活性，将AMXXX拆出单独使用。
4.2调制器驱动
调制器对去驱动电压的要求不高，根据调制器类型不同，电压为6-10V，只要具有偏置调制功能，且整体速率足够，任何电压源都可以满足要求。如果电压源幅值不够，可以后接电压放大器满足要求，调制器的最高电压不得超过±20V.
Fig. 4.4-AMXXX控制设置
Fig. 4.5-AMXXXb控制设置
振幅调制器可以用于模拟或数字调制，模拟调制中要注意周期特性曲线，而数字调制需要将振幅电压和偏置电压单独考虑(AMXXX, Fig, 4.4)，或者通过射频控制振幅，而通过直流源控制偏置电压(AMXXXb，Fig, 4.5)。在有些应用中需要考虑偏置控制的作用，见4.3节。
激光或激光二极管通过光纤耦合将光导入调制器光纤，调制器输出光纤连接光电二极管，光电二极管信号连接至示波器Y通道(50欧姆)。信号发生器产生射频控制信号，并通过示波器X通道同轴观测(1MΩ)。通过示波器的X-Y特征曲线就能分辨Vπ和Vo，有需要可将数据导出到电脑做进一步分析处理。
产生脉冲：
调制器可以用于产生两种脉冲：用于产生短光脉冲的脉冲模式和调制开关的开关模式。我们使用Vπ=2 V和V0=1,5 V做出举例解释。
脉冲模式
Fig. 4.6 脉冲模式 Fig. 4.7 1ns脉冲
调制器在两个零功率电压位之间来回切换，也就是电压值先为-0.5V，接着切换成3.5V，然后再切换回来(Fig. 4.6)，这样再一次变动中就产生一个短光脉冲，脉冲宽度对应于电压的上升时间(Fig. 4.6, 1ns脉冲)。
开关模式
调制器在一个零功率电压位和一个满功率电压位之间来回切换，也就是电压值先为-0.5V，然后切换到1.5V，然后再切换过来，这样在1.5V电压位时，输出光功率为最大值，并且一直保持到电压位切换到-0.5V，从而产生一个脉冲宽度等于1.5V电压位维持时间的宽脉冲，脉冲的上升沿时间等于-0.5V到1.5V的升压上升沿时间，图Fig. 4.9展示的是100ns的脉冲。
Fig. 4.8 开关模式 Fig. 4.9 1ns上升沿的宽光脉冲
4.3 铌酸锂调制器的直流特性
Fig. 4.10 直流漂移：直流电压下的光相位漂移(1550nm，mW输入功率，振幅调制器中测量)
铌酸锂波导调制器在直流电压下会出现图Fig. 4.10所示的直流漂移，加上直流电压，部分电荷会进入晶体，从而导致电极上的电荷被部分补偿，从而减少了电极位置的电场强度。这个过程与自由电荷载体数量，晶体的暗导和光电导相关。其中暗导又取决于温度和晶体纯度，光电导取决于晶体纯度、激光波长和光功率密度。整个漂移时间的长短受上述因素的综合影响，一般温度越高，光功率密度越高，激光波长越短，漂移需要的时间越短，偏离后的值约为初始值的75%。因为漂移时间不受初始电压影响，这就意味着直流电压越高，单位时间内的漂移约快。
波导所经历的部分电场补偿导致初始相位出现后漂移，在相位调制器中，这种后漂移可以用干涉仪直接测量，在振幅调制器中，由于其余旋调制特性曲线，相位漂移会导致光功率的幅值调制，可以通过V0的漂移进行测量，而Vπ的值不变。
图Fig. 4.10中，输入波长为1550nm，功率mW量级，振幅调制器的电压为余旋特征曲线，相位偏移量用占初始相位的%表示。所加电压为2V，比Vπ=1.59V略微高一些，初始相位为1.25π。从图可以看出，相位漂移稳定的时间大于1小时，如果使用更高光功率或更短的波长，稳定需要的时间会短一些。同时，稳定时间更易受光和环境条件的影响。
工作电压的稳定可以通过两种方式实现：
- 动态模式：
基于信号的对称特性，可以选择间隔为2Vπ的两个对称工作电压区间，两个区间电压值相同，但符号相反，分别为V-和V+，工作时电压值在两个区间来回跳动，如下图蓝色曲线部分。
为了避免出现直流漂移，需要测试所加电压并与时间进行积分，该时间需要明显短于直流漂移时间，例如为1s。当调制器工作在V-电压时，A-的值为：
随后电压切换为V+，此时A+的值为：
A-和A+的绝对值想等：
随后电压值再切换到V-，如此往复。这样调制器电极上的平均电压为零，从而消除了直流漂移。当然，该方法由于在正负电压之间的来回切换，会在光功率上引入不必要的调制。
Fig. 4.11-调制特征曲线两个等价工作电压区间
- 偏置模式
偏置模式中需要将直流或低频交流偏置电压加载到射频控制信号上，但由于在调制电极和终端负载上产生电流，从而会产生额外的热量，更好的办法是采用图Fig.4,5中偏置分离的配置，从而避免额外的热负担。但需要申明的是，偏置模式本身并不能消除直流漂移。
如果射频调制信号是周期性的，那么电压信号的平均值是一个常数，当环境温度和光功率不发生变化时，直流漂移导致的偏移量会在一定时间之后稳定下来，这时可以通过校准偏压值达到稳定的工作状态。
如果调制信号为非周期性的，或者环境变化较大，那么就需要建立一个负反馈。将调制器输出的光功率分离一部分出来进行光电二极管采样，该采样信号送到偏置电压控制电路用来校准偏置电压值。具体的校准电路取决于使用的调制器类型，在此不能一一详尽列出。例如，针对短脉冲接着比较长的延时，或者在脉冲选择应用中，可以将偏置电压维持在产生最低平均功率输出的电压值，因为相对于有效脉冲本身的功率，产生的附加功率值更高，有充足的时间进行后续处理。如果需要模拟调制，那就需要实时监测输出功率，并与理想曲线进行对比并进行动态校正。例如在成像应用中，可以在系统不需要调制输出的时候对信号进行监测。偏置电压不宜设置过高，因为直流漂移的速度会显著增加，反应时间窗口变窄，从而增加了实时校准的难度。
5. 应用示例
5.1. 脉冲截取
调制器的典型应用就是在连续激光中截取一个短脉冲，该方法的优点是可以独立于激光器类型来控制脉冲形状，比较常用于光纤谐振腔-放大配置中。
通过加载上升沿幅值为2倍Vπ的信号，或者加载幅值为Vπ的信号，就可以产生图Fig. 5.1和图Fig. 5.2中的1ns和5ns光脉冲，Vπ为2V，V0为1.5V。同样也可以通过阶梯模拟信号实现阶梯光信号输出，如图Fig. 5.3所示。通过调制器，可以方便的将微秒脉冲整形成纳秒量级。
Fig. 5.1-1ns脉冲
Fig. 5.2-5ns脉冲
Fig. 5.3-双阶脉冲
5.2 脉冲选择
调制器可以在脉冲序列中提取出单个脉冲或脉冲串，降低激光的重复频率。
Fig. 5.4-脉冲选择
上图为1060nm，150fs，76MHz激光源为的脉冲选择结果，频率分别降低20倍和40倍，在很多应用中，100-1000之间的选择倍率是比较实用的。
Fig. 5.5- Pulse Selector IOM
Pulse Selector IOM是SMXXXb配套的控制器，具有50欧姆射频输入和高阻抗偏置输入，集成了脉冲选择驱动和自动偏置控制。
如图Fig. 5.6所示，在脉冲选择应用中，激光首先偶合进调制器，此时调制器为关闭状态。激光同步输出信号引入延迟电路，以此协调光源，控制器的操作时间，当内部计数器计算的脉冲数量达到设定值时，发送指定到信号发生器，产生一个信号给调制器，调制器转变成开的状态，从而使一个或多个光脉冲通过，电压值Vπ的维持时间决定了多少光脉冲被选择出来。
Fig. 5.6-脉冲选择配置图
调制器驱动外触发频率最高可达150MHz，可产生最窄5ns的电脉冲，电压最高5V，可以满足1600nm以下波长的应用，频率分割因子范围为2-65000。控制器通过USB接口受电脑控制，内置光电二极管和偏置负反馈电路。由于采用的是InGaAs二极管，工作波长被限定为1000-1700nm。
Fig. 5.7-触发序列(深蓝色)，调制窗口(红色)和选择脉冲(淡蓝色)序列图
上图展示了脉冲选择应用中触发序列(深蓝色)，调制窗口(红色)和选择脉冲(淡蓝色)的序列图。基于动态偏置控制，调制对比度可达1:1000。
6. 名词解释
插入损耗(D)：D = 10 lg (Pin/Pout)，其中Pin为调制器输入光功率，Pout为最大输出光功率。
对比度(E)：E = Pmax/Pmin，振幅调制中最高输出功率和最低输出功率的比值(直流电压下测量)。
半波电压(Vπ): 振幅调制中，光功率最大和最小时电压信号的差值；相位调制中，相位变化π对应的电压值。
偏置(V0)：振幅调制中，光功率最大的电压值中，绝对值最小的那个电压值。
输出光纤偏振态：在偏振光纤输出中，会有偏振比这个参数。
光谱带宽：中心波长附近，不引起明显插损和对比度变化的光谱范围(偏移比例不得大于中心波长对应值的10%)。
上临界频率：输出光功率降为一半时对应的频率。
最小光学上升时间：振幅调制开关操作中，光功率在最大值10%和90%之间变化的最小时间。