光学调制器的基础原理

定义：该装置可以操控光束的性质，例如光功率或者相位。

光调制器通常用来操控光束的性质，例如激光光束。调制器根据所调制光束的性质被称为强度调制器，相位调制器，偏振调制器，空间光调制器等。不同类型的调制器可以应用到不同的应用领域，例如光纤通信领域，显示设备中，调Q或者锁模激光器，以及光学测量中。

存在几种不同的调制器类型：

声光调制器是基于声光效应的调制器。它们被用于切换或者持续调整激光光束的振幅，改变光频率，或者改变空间方向。

电光调制器利用的是泡克尔斯盒中的电光效应。它们可以调制偏振状态，相位或者光束功率，或者用于超短脉冲放大器一节中提到的脉冲提取。

电吸收调制器是一种强度调制器，用于光纤通信中的数据发射器上。
干涉调制器，例如马赫-曾德尔调制器，通常在光数据传输中的光子集成电路中采用。
光纤调制器可以基于多种原理。可以是真正的光纤器件，或者也可以是包含光纤尾纤的体元件。
液晶调制器适宜于应用到光学显示设备或者脉冲整形器中。它们也可以当做空间光调制器来使用，也就是说传输随空间变化，这可以用到显示设备中。
调制盘可以周期性的改变光束的功率，这在一些特定的光学测量中（例如采用锁定放大器）会用到。
微机械调制器（微机械系统，MEMS），例如硅基光阀和二维反射镜阵列尤其在投影显示中非常重要。
体光学调制器，例如电光调制器，可以采用很大的光束面积也可以应用于大功率的情况。而光纤耦合的调制器，通常是具有光纤尾纤的波导调制器，则易于集成到光纤系统中。
声光调制器

缩写：AOM 定义：利用声光效应的光学调制器。
声光调制器是利用电子驱动信号可以用来控制激光光束的功率，频率或者其空间方向的器件。它利用声光效应，即通过声波机械振荡压力改变折射率。
AOM的关键元件是一块透明晶体（或一块玻璃），光在其中传播。与晶体接触的压电转换器用来激发声波，声波的频率在100 MHz量级。光在周期性折射率光栅中传播受到布拉格衍射产生声波，因此AOMs有时也称为布拉格盒。
散射光的频率增加或者减小，增加或减小的值等于声波频率（与声波相对于光束的传播方向有关），并且散射光的方向稍有变化。（方向的变化很小，如图1，因为声波的波数与光播相比非常小。）散射光的频率和方向可以通过控制声波的频率进行控制，然而声波功率则受制于光功率。当声波功率足够高时，大于50%的光功率被衍射，极限情况下大于95%的光波被衍射。

声波可能在晶体另一端被吸收。这种行波结构使其可以达到很宽的调制带宽。其他装置是与声波共振的，利用晶体另一端对声波的强反射。共振效应可以显著提高调制深度（或者降低需要的声波功率），但是会减小调制带宽。
声光调制器常见的材料为二氧化碲（TeO2），石英晶体和熔融二氧化硅。在材料选择方面有很多标准，包括电光系数，透明范围，光损伤阈值和需要的尺寸。也可以采用不同的声波，常用的是纵波（压缩）。这样可以得到max的衍射效率，而衍射效率也与光束的偏振有关。当采用声剪切波（声学振动方向与激光光束相同）时，与偏振方向无关，但是这会降低衍射效率。
还有在一块芯片上包含多个声光调制器的集成光学器件。可以在铌酸锂（LiNbO3）上集成光学器件，由于它是压电的，因此芯片表面的金属电极可以产生表面声波。这种装置有很多用途，例如，用做可调谐光学滤波器或者光学开关。
应用

声光调制器具有很多应用：
它可以用做固态激光器中的Q开关。AOM也称为Q开关，在脉冲产生之前用来关闭激光谐振腔。大多数情况下，只有零阶光束满足激光条件，并且当不需要激光时可以将AOM打开。这时需要衍射损耗（每次往返谐振腔产生的损耗）大于激光器增益。对于高增益激光器（例如，光纤激光器），通常是一阶衍射光束满足激光条件，因此当AOM关闭后，会产生非常大的谐振腔损耗。但是，激光态的损耗也相当高。
AOM也可以用做固态激光器的倾斜腔，产生纳秒或超短脉冲。后者情况下，AOM的速度只有当谐振腔比较长时才满足要求，或者需要采用电光调制器。
采用AOM调整谐振腔中往返光的谐振波损耗可以实现主动锁模。
AOM可以用做脉冲拾取器来降低脉冲列的脉冲重复速率，为了将脉冲进行后续的放大过程得到很高的脉冲能量。
在激光打印机和其它装置中，AOM可以用来调制激光光束的功率。调制可以为连续的或者数字的（开/关）。
AOM会使激光光束频率产生偏移，例如用在各种测量器件中，或者用在利用通过频移光学反馈实现锁模的激光器中。
有些情况下需要利用衍射角与声学频率有关的效应。尤其是，可以扫描出射光束的方向（至少扫描小范围的）来改变调制频率。

声光调制器的重要性质
实际应用中挑选声光调制器时可以从以下方面考虑：
材料需要在需要的频率范围内具有很高的透明度，并且需要使寄生反射min化，例如，采用抗反射涂层。
很多情况下，需要很高的衍射效率。例如，将AOM用做高增益激光器的Q开关时很重要，而在倾斜腔中更加重要。
需要的微波功率同时会影响需要的电功率和冷却装置。
开关时间。
用做移频器时，装置需要工作在很大的微波频率范围内。
很高的光峰值功率情况下需要采用合适的材料和大的开放孔径，可以得到较高的损伤阈值。
由于需要权衡很多参数，不同应用情况下需要采用不同的材料和工作参数。例如，具有高的衍射效率的材料并不能得到高的光损伤阈值。
大的模式面积可以提高控制功率能力，但是需要采用更大的晶体或者玻璃片还需要更高的驱动功率，同时还会提高开关时间，开关时间受制于声学跃迁时间。对于快速的声光扫描仪，需要大的模式面积实现高的像素分辨率，但是高的扫描速度又需要较小的模式面积。

电光调制器

缩写：EOM 定义：基于电光效应的光调制器

电光调制器（EOM）是通过电子控制信号来控制激光光束的功率、相位和偏振。它通常包含一个或两个普克尔斯盒，有时可能还包含一些其它的光学元件，例如偏振器。图1给出了不同类型的普克尔斯盒，更多细节描述可参阅词条普克尔斯盒。其工作原理是线性电光效应（也称为普克尔斯效应），即电场引起非线性晶体中的折射率变化与场的强度成正比。
EOMs常用的非线性晶体材料为磷酸二氘钾（DKDP），磷酸氧钛钾（KTP），β-硼酸钡（BBO）（后者适用于更高平均功率和更高开关频率时），还有铌酸锂（LiNbO3），钛酸锂（LiTaO3）和磷酸二氢铵（NH4H2PO4, ADP）。除了以上这些无机电光材料外，还有一些特殊的聚合物可以用在调制器中。

图1：几种不同类型的普克尔斯盒。

能够引起相位变化为π的电压称为半波电压（Vπ）。对于一个普克尔斯盒，它的值通常为几百甚至几千伏，因此需要一个很高电压的放大器。
采用一个合适的电子回路可以在几纳秒内开关如此大的电压，因此EOMs可以用作快速的光开关。在其它情况下，只需较小的电压进行调制就足够了，例如，只需要很小的振幅或者相位调制。

电光调制器的类型

— 相位调制器
简单的电光调制器为只包含一个普克尔斯盒的相位调制器，其中电场（通过电极施加到晶体上）改变激光光束进入晶体后的相位延迟。入射光束的偏振状态通常需要与晶体的一个光轴平行，这样光束的偏振态不会发生变化。
有些情况下只需要很小的相位调制（周期性的或者非周期性的）。例如，通常采用EOM来控制和稳定光学谐振腔的谐振频率。共振调制器通常用在需要周期性调制的情形，这时只需中等强度的驱动电压就能得到很大的调制深度。有时调制深度很大，光谱中会产生很多旁瓣（光梳产生器，光梳）。
— 偏振调制器
根据非线性晶体的类型和指向不同，以及实际电场方向的不同，相位延迟也与偏振方向有关。因此普克尔斯盒可以看多电压控制的波片，它还可以用来调制偏振态。对于线偏振的输入光（通常与晶体轴有45°的夹角），输出光束的偏振态通常为椭偏振，而不是简单的由原来的线偏振光旋转了一定的角度。
— 振幅调制器
如果与其它光学元件结合起来，尤其是与偏振器结合后，普克尔斯盒可以用作其它种类的调制。图2中的振幅调制器是利用普克尔斯盒改变偏振态，然后采用偏振器将偏振态的改变转化成透射光振幅和功率的变化。

图2：电光振幅调制器，在两偏振器之间包含一个普克尔斯盒。

另一个技术方案是在马赫曾德尔干涉仪的一个臂上使用电光相位调制器来得到振幅调制。该原理通常应用在集成光学（光子集成回路）中，相比于体光学元件，这种方案更容易实现相位稳定。
光开关也是一种调制器，其中透射为开或者关的状态，而不是逐渐变化的。这种光开关可以用作脉冲拾取器，从一列超短脉冲中选择一定的脉冲，或者在倾腔激光器和正反馈放大器中。
— 热补偿装置
如果需要在两偏振方向之间引入相对相位变化，那么热学影响就会对结果产生影响。因此，电光调制器通常包含两个匹配的普克尔斯盒，这样其相对相移随温度的变化可以相互抵消。也有的结构中包含四块晶体，具有严格相同的长度，抵消了双折射效应和空间游走。还有很多种类型的多晶体设计，取决于采用的材料和实际需要。
— 共振装置与宽带装置的对比
有时需要在某一特定频率下得到纯的正弦调制。在该情况下，通常需要采用电子共振的（而不是机械共振的）电光调制器，包含一个共振LC回路。该装置的入射电压可能比普克尔斯盒电极间的电压小很多。如果要二者电压比值很大，需要LC回路具有高的品质因子（Q因子）并且降低带宽从而可以实现共振增强。但是采用共振装置的一个缺点是缺乏灵活性，要改变共振频率，至少需要改变一个电学元件。
宽带调制器通常优化到可以工作在很宽的频率范围内，通常从0频率开始。高的调制带宽需要普克尔斯盒具有较小的电容，并且避免共振情况。
— 行波调制器
在很高调制带宽的情况下，例如，在GHz范围内，通常采用集成光学行波调制器。这里，电子驱动信号产生电磁波（微波）在与光束方向相同的电极间传播。理想情况下，两波的相速度是匹配的，因此即使频率非常高且电极长度对应几个微波波长的情况下，也可以得到足够的调制。

重要性质

在购买电光调制器之前需要考虑许多性质：
装置需要具有足够大的孔径，尤其是在峰值功率很高时。在整个孔径中统一进行开关和调制需要很高的晶体质量和合适的电极几何结构。提高孔径尺寸会很大的提高器件成本。
用于超短脉冲开关时，克尔非线性效应和色散是相关的效应，它们与晶体材料及其长度有关，还与光束半径有关。（这类效应通常无法消除，因此需要在设计时考虑在内，例如，在设计正反馈放大器时。）
根据器件的设计，输出光束可能保持入射光束的偏振态也有可能不保持。
相位调制器可能会产生不需要的振幅调制，反之亦然。这与设计密切相关。
由于电光材料通常是压电的，施加的电压会产生机械振动，它就会通过电光效应从而影响折射率。在某一机械共振频率附近，调制器的响应可能会受到很大的影响。这尤其在宽带调制器中会是一个问题。应用到开关中时，可能会存在不需要的激振效应。该效应与晶体材料、维度、指向和机械设计密切相关。
很高的平均功率和开关频率都会引起热学相关的问题。热学处理以及功率和频率范围与各种制作细节有关。
晶体需要具有很高质量的抗反射涂层，工作在特定的波长区域，并且材料具有很好的透明度从而使插入损耗min化。
反射的光束可能在调制器装置中被吸收或者出射到一个比较合适的位置和方向（尤其对于高功率装置来说）。
开关速度与调制器和电子驱动装置都有关系。
电光调制器可以直接购买光纤耦合形式的，它具有不同种类的连接器和光纤（例如，单模或者多模）。
需要注意，合适的机械支架也是需要的，通常需要采用一些方法将调制器准确调整到不同的方向上。

电子驱动

电子驱动如果能够同时与EOM匹配同时又能适用于特定应用中是非常重要的。例如，不同种类的EOMs需要使用不同的驱动电压，并且驱动器需要根据EOM给定的电容来进行设计。有些驱动器只适用于正弦调试，然而宽带装置工作在很大的调制频率范围内。如果从同一个供货商购买电光调制器和电子驱动器就能避免很多问题，因为总体的响应度在同一个水平。
应用

电光调制器的一些典型应用包括：
调制激光光束的功率，例如，用于激光打印，高速数字数据记录，或者高速光通信
用在激光频率稳定机制中，例如，利用Pound-Drever-Hall方法
固态激光器中的Q开关（其中EOM是在脉冲辐射之前用来关闭激光谐振腔）
主动锁模（EOM调制谐振腔损耗或者往返光的相位等）
在脉冲拾取器、正反馈放大器和倾腔激光器中开关脉冲

电吸收调制器

定义：基于Franz-Keldysh效应的光学调制器

电吸收调制器是一种半导体器件，它通过施加电压来控制（调制）激光光束的强度（参阅光调制器）。它的工作原理为Franz-Keldysh效应，即施加的电场引起吸收光谱的改变，然后改变带隙能量（吸收边的光子能量），但是通常不涉及到电场激发的载流子。

大多数电吸收调制器都制作成波导形式，施加电场的电极方向垂直于调制的光束。为了得到高的消光比，通常采用量子阱结构中的量子限制斯塔克效应。

与电光调制器相比，电吸收调制器工作在更低的工作电压下（几伏而不是几千伏）。它工作在很高的速度下，调制带宽可达几十GHz，因此它在光纤通信中非常重要。

电吸收调制器一种很重要的特性是它可以与分布反馈激光二极管同时集成到一个芯片上以光子集成回路的形式得到一个数据发射器。与直接调制激光二极管相比，这样可以得到更大的带宽，并且芯片尺寸更小。

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