聊聊关于激光调制器那些事儿

前言

自1960年第一台红宝石激光器诞生以来，激光以其高光子简并度的特性而备受关注。随着更多应用的开发，激光技术在数十年的时间里得到了飞速发展，如激光调制技术、调Q技术、锁模技术、稳频技术、频率转换技术等一系列激光技术的出现，促使激光性能得到进一步提升。激光调制，是指通过一些特定方式，实现光信号一个或几个特征参量（如激光的强度、频率、相位、偏振等）的变化，且变化规律为特定可控。激光是一种频率更高的电磁波，它具有很好的时间相干性和空间相干性，因此极易进行调制。激光调制作为一项重要的激光应用技术，已被广泛应用于激光通讯、传感、显示及加工等领域。

1. 光调制器分类

** 1.1根据调制器与激光器的相对关系分类**

根据调制器与激光器的相对关系来分类，通常可将激光调制分为内调制和外调制。

1.1.1 内调制

内调制加载调制信号是在激光振荡的过程中进行的，即通过调制信号的规律去改变激光振荡的参数，从而达到改变激光输出的特性，实现调制。目前最常见的内调制方式主要有两种：

（1）通过泵浦：

由于泵浦是影响激光器输出的最直接要素，因此，可直接控制激光器泵浦源（例如固体激光器，可通过泵浦输出的功率大小、频率及占空比等变化）直接影响激光器的最终输出，从而实现输出激光的调制。

（2）通过谐振腔：

谐振腔是组成激光器的三要素之一，因此，也可在谐振腔内放置调制元件，通过控制调制元件物理特性的变化，改变谐振腔的参数，从而实现激光输出特性的改变。调Q技术实际上也是实现激光内调制的一种方式。

内调制的优点是调制效率高，但由于调制放在腔内进行，损耗及调制带宽均会受到影响。

1.1.2 外调制

外调制发生在激光形成之后，即调制在激光谐振腔外的光路中进行，这一过程需要通过特定调制器件辅助实现。在调制器上加载调制信号后，可使调制器的某些物理特性发生相应的变化，当激光通过它时，光波的某些参量即得到调制。外调制改变的是已经输出的激光的参数，相比于内调制，外调制的应用更加灵活，也更易实现所需要的调制效果，但由于外调制建立在激光已有输出基础上，因此，也存在一定的局限性，例如激光峰值的输出，通过外调制无法进行改变，而通过内调制，这一特性是可以进行改变的。

1.2 根据调制器工作原理分类

按调制器的工作机理来分类，可分为直接调制、机械调制、磁光调制、电光调制，声光调制。

1.2.1 直接调制

直接调制通常用于半导体激光器或发光二极管，电信号直接调制激光器的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现调制。直接调制可分为两种类别：

（1）直接调制中的TTL调制

在激光器电源上外加一个TTL数字信号，这样就能通过外信号控制激光器驱动电流的通断，进而控制激光的出光频率。

（2）直接调制中的模拟调制

在激光器电源上外加模拟信号（幅值小于5V的任意变化信号波），可以使外信号输入不同电压时对应激光器不同的驱动电流，进而控制输出激光的功率。

直接调制可使激光器达到很高的调制带宽，3dB带宽通常在10GHz以上。2020年日本电报电话公司（NTT）与东京工业大学未来科学与技术跨学科研究实验室合作开发了使用铟磷的超高速薄膜激光器，更是实现3dB带宽超过100GHz的直接调制激光器。虽然直接调制能够实现很高的调制速率，但如前文提到的，其更适用于一些低功率的半导体激光器，对于大多工业应用场景中的所需的高功率激光，该技术并不适用。

1.2.2 机械调制

机械调制是指通过机械方式，对输出的激光进行调制，由于机械调制受机械惯性及重量影响，通常无法实现很高的调制速度，只能达到几十KHz。目前最常见的机械调制系统为光学斩波器，其通过电子控制的风扇式叶轮转动，将连续的激光调制为具有一定频率的周期性断续光。光学斩波器的结构及控制相对简单，但缺点也较明显，除速度以外，其也无法对单发激光的强度及相位等进行调控。

1.2.3 磁光调制

当一束平面偏振光通过置于磁场中的磁光介质时，平面偏振光的偏振面就会随着平行光线方向的磁场发生旋转，这一现象称为法拉第效应或磁光效应。磁光调制器是一种非机械式调制器，其是基于法拉第效应开发出的一类光调制器件。

在磁光介质上加入电路磁场，电路磁场的方向平行于磁光介质的通光轴向，由法拉第旋光角计算公式可知（其中为旋光角度，V为磁光介质维尔德常数，H为磁场强度，L为磁光介质的有效同光长度）：

在磁光介质恒定的情况下，法拉第旋转角度取决于轴向电流磁场的大小。因此，控制高频线圈电流，改变轴向信号磁场强度，就可以控制光振动面的旋转角，使通过检偏器的光振幅随θ角的变化而变化，从而实现调制。

1.2.4电光调制

利用电光效应实现的调制叫电光调制。电光调制的物理基础是电光效应，即某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变。

实现电光调制的过程如上图所示（以激光强度调制为例），电光普克尔盒内的晶体随着加载电压的变化，折射率椭球发生相应改变，横向电光效应光的相位变化关系如下式：

其中，δ为相位变化量，λ为激光波长，γ为晶体电光习俗，n0为晶体折射率，V为加载在晶体上的电压，l为晶体有效通光长度，d为晶体加压方向厚度。从上式容易知道，当激光经过普克尔盒时，加载在电光晶体上的电压的改变将导致激光偏振发生改变，从而实现激光的调制。

1.2.5 声光调制

声光调制的物理基础是声光效应，声光效应是指光通过某一受到超声波扰动的介质时发生衍射的现象, 这种现象是光与介质中的声波相互作用的结果。介质的折射率周期变化形成折射率光栅时，光波在介质中传播就会发生衍射现象，衍射光的强度、频率和方向等将随着超生波场的变化而变化。

声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程，调制信号是以电信号（调幅）形式作用于电-声换能器上，将相应的电信号转化成超声场。声光效应的衍射效率公式如下：

其中，η为声光调制器衍射效率，λ为激光波长，l为声光介质有效通光长度，h为声场作用宽度，P为射频驱动功率，M为声光介质的声光优值。当激光经过声光调制器时，便会发生声光互作用，通过控制注入射驱动信号，我们能够很容易实现激光的调制。

下表对已介绍的几种主要调制方式的性能进行对比：

从上表中可以看出，由于电光调制及声光调制具有较优越的性能（尤其在调制速度方面）且技术成熟，目前，激光应用市场普遍采纳这两种调制技术作为调制最终解决方案。

随着激光技术的不断发展，现有调制技术的瓶颈将不断被突破，新调制技术也将不断被开发并应用，激光调制在激光应用中将发挥更大的作用。脉博光电虽是一家初创企业，但凭借在调制技术领域数十年的研究及积累，拥有着对激光调制更深的理解，未来，脉博光电将依托自身优势，在此领域不断深耕，不断突破可能的极限，助力激光技术及产业的发展。