任意波形发生器在电光调制器、量子光学和脉冲激光二极管中的应用-电子发烧友网

摘要

现在，光学、光子学和激光技术应用越来越流行。最新一代的科学家们正在汽车、医疗、航空航天、国防、量子和激光传感器等领域开辟新天地。这些领域的应用挑战不断增加。昊量光电的任意波形和函数发生器帮助工程师应对这些挑战，生成各种类型的脉冲、信号和调制，满足不同应用的需求。

以下是一些AWG应用的示例：

产生高振幅和高速脉冲来直接驱动电光调制器；

产生不同类型的信号和脉冲以推动量子光学的研究；

产生脉冲来驱动脉冲激光二极管。

电光调制器

集成光波导能够像光纤一样引导光沿特定路径传播。该波导由一个折射率高于周围材料的通道组成。

图1：集成光波导

光通过通道壁的全内反射来引导。根据波长、衬底折射率、折射率差、通道的宽度和深度，可以激发一个或多个横向振荡模式。单模操作是非常有价值的，因为它是许多集成的光学元件的功能。集成光学元件特别是在光通信技术中通常配备光纤，线性电光效应，也称为波克尔效应，是一种二阶非线性效应，包括在外加电场时光学材料折射率的变化。折射率的变化量与电场强度、其方向和光的偏振率成正比。

制造集成光调制器的首选材料是铌酸锂（LiNb3）。

如果使用长度为L的电极将电场施加于电导，则电极之间区域的折射率会发生变化，从而产生引导光的相移，相移与所施加的电压会呈线性关系。

图2：相位调制器

图3：相移

这相当于几伏特，在给定的电极几何形状下；对于较长的波长，它比较短的波长要高，例如，可以期望在红色区域为3V（635nm），在电信波长范围内（约1550 nm）为10 V。

由于非常快速的电光响应，较低的控制电压和使用复杂的电极几何形状，它可以在千兆赫兹范围内的频率上实现调制。将相位调制器插入集成的Mach-Zehnder干涉仪中，形成调幅器。

图4：Mach-Zehnder振幅调制器

施加电压会导致分支之间的相对相位差，从而通过干扰导致器件输出处的输出功率的变化。因此，设备传输可以控制在最小值和最大值（P min到Pmax）之间。从打开状态到关闭状态切换需要π的相对相位差。所需的电压称为调幅器的半波电压Vπ。由于推拉操作，调幅器的半波电压是具有相等电极长度的相位调制器的半波电压的一半。例如，在635 nm处可以预计红色为1.5 V，在约1550 nm的通信波长范围内为5V。

图5：输入/输出指示灯

图6：振幅调制器特性曲线

将射频信号作为调制电压应用于电极，该电压输入被转换为振幅信息。这个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。该图描述了一个二进制脉冲电输入到一个二进制光输出信号的传输。如果电压电平不正确，即电压过高或偏移量不正确，调制器将在二进制操作中与不正确的光输出电平或在模拟操作中与更高的谐波发生反应。

图7：Mach-Zehnder振幅器操作

图8：电光调制器

Arb Rider AWG任意波形发生器允许您通过产生非常窄的脉冲（最小脉冲宽度是230 ps）与高达5 Vpp的振幅来创建调制电压。高振幅输出信号，结合110 ps的升降时间（5 Vpp @ 2 GHz带宽），使您可以直接驱动不同类型的电光调制器，而不添加外部放大器。

图9：AWG-5000和电光调制器连接图

任意波形发生器用户界面，它可以很容易地产生不同的脉冲形状，从而提供更深入的光输出信号控制。

图10：AWG-5000最小脉冲宽度- 230 ps

图11：True-Arb UI -多重脉冲生成

图12：示波器的屏幕截图-多脉冲生成5Vpp振幅

图13：电光调制器控制的真弧设置

图14：具有3.5Vpp振幅的电光调制器的电压输入信号

图15：3.5Vpp变焦电光调制器的电压输入信号

任意波形发生器用户界面，它可以很容易地产生不同的脉冲形状，从而提供更深入的光输出信号控制。

量子光学

在金刚石晶体中存在一种缺陷，这种缺陷会吸收和发射光线，这里的碳原子被其他种类的原子替代，相邻的晶格位置是空的。由于这种缺陷可以明亮地发射单光子，并且自旋可以被光学手段控制，晶体中心可以成为未来量子信息处理和量子网络的有前途的固态量子发射器。在固态量子发射器中，量子点和金刚石中的氮空位（NV）中心是两个最成熟的系统。然而，在这两个系统之间，NVs表现出超过1s的优良相干时间，但缺乏产生难以区分光子所需的零声子线（ZPL）的有效发射，而量子点在发射特性方面显示出很大的前景，但限制在10ns相干时间。这突出了使用固态量子发射器工作的典型挑战：

单光子产生

发射器自旋相干时间

最近对金刚石部分SiV中的第四组空缺中心的调查显示了满足这一领域的希望结果。

图16：固态量子发射器

结合其良好的自旋特性，锡基空位中心在纳米结构中强而稳定，非常适合集成到零光子线发射中。金刚石中的IV族空位中心由于其晶体对称性而表现出良好的光学性质，有利于发射到ZPL，SiV中心在100 mK时显示出10 ms的相干时间，而SnV在2K时显示出类似的时间——标准氦低温恒温器容易达到的温度。

Arb-Rider AWG系列已被用于控制实验脉冲的序列，用于在金刚石中操纵单个锡空位中心。AWG允许产生具有高振幅（>1.5V）的窄电方脉冲，以控制电光振幅调制器，以产生短激光脉冲。利用这种机制，可以产生接近高斯形状的光脉冲，其全宽半最大值窄至280ps。此外，AWG-5064已被用于驱动电光相位调制器，产生高达约2 GHz的频率边带，使相位稳定激光场驱动两个光学跃迁。

图17：高斯光脉冲

AWG的数字输出通道，允许控制光声振幅调制器，或者它们被用于产生实验序列定时的触发脉冲。在未来，将有必要根据序列中某个读取的结果对测量协议进行实时控制。

图20：高斯光脉冲真弧设置

图21：高斯脉冲- 230 ps宽，2 Vpp振幅

脉冲激光二极管驱动器

脉冲激光二极管提供强功率短脉冲的能力使其成为目标指定和测距等军事应用的理想选择。事实上，开发这些二极管的许多历史动机都有军事根源。然而，今天的技术改进和成本降低正在计量学和医学领域开辟了新的应用。

标准激光二极管被设计为发射连续波辐射，功率从几mW到几W。脉冲激光器在一个较低的占空比下工作，所以热量去除不是一个问题。脉冲激光器和连续波激光器之间的另一个设计区别是，脉冲激光器的输出面的反射率通常要低得多。在典型的连续波激光器上，通过限制发射宽度为5到35µm来降低阈值。虽然激光阈值电流与这个宽度成正比，但脉冲激光器产生的高增益允许该宽度增加到400µm，并相应地增加峰值功率。

如果没有预防措施，这种宽度和高增益的短谐振器的组合可能会导致旋转模式，在这种模式下，循环功率在增益区域内倾斜反弹，而不是在端面之间来回弯曲。

影响阈值的另一个因素是，脉冲激光器的结构通常被配置为提供小于25°的光束散度，而典型的连续波器件将提供35°到45°。更紧的光束是通过允许光子扩散到一个“大光腔”来实现的，这是一个横向较弱的波导，减少了增益区域的光子数量。由于脉冲激光器结构中没有嵌入横向波导，因此在该方向上的光束散度通常为10°。

脉冲激光二极管被设计为用大电流脉冲驱动，产生短的、高功率的光脉冲。为了达到大多数应用所需的非常高峰值光功率，占空比通常保持在0.1%以下。这意味着一个100ns的光脉冲之后会暂停100µs；也就是说，非常短的脉冲的重复频率在千赫兹范围内。最大脉冲长度通常在200ns范围内；更常见的是在3~50 ns之间的脉冲。产生这些光脉冲需要几十安培的电流。这样的高电流水平需要快速开关晶体管和适当的电路，所有的电气连接保持尽可能的短，以减少感应损耗。因此，脉冲激光受益于连续激光技术的进步，脉冲激光被优化，在其独特的应用中提供高性能，以促进经济生产。

当第一个商用的砷化镓脉冲激光器可用时，它们的波长为905纳米。不错的是这接近硅探测器的峰值响应率，并且在附近有一个吸水峰，这降低了环境光，提高了检测灵敏度。随着新技术和基于不同半导体材料的激光器的出现，生产不同波长的激光器变得可行。但是在1550纳米范围内的激光由于其通过雾和烟雾的优越传输而受到更多的关注。另一个明显的优点是，这种波长对视力的危害比较短的波长要小。

飞行时间、其他功能

脉冲激光二极管的许多应用都是种子测距应用的变体，其中目标距离是通过测量从目标反射或反向散射的激光脉冲的飞行时间来计算的。利用这一原理，一些更复杂的仪器可以在高达10公里的距离上进行精确的测量。例如，警察的激光“速度枪”可以在3300英尺（1000米）的速度下测量时速155英里（250 km/h），准确率为1%到3%。传统的射频速度炮直接从反射信号的多普勒频移的大小来测量速度，激光速度炮通过比较不同时间的距离测量来计算速度。自从价格下降以来，眼睛安全的测距仪已经可以用于各种娱乐活动。例如，猎人可以购买激光测距设备，在几百米的范围内以一到一米的精度测量到目标的距离。

同样，高尔夫球手也可以购买便宜的激光测距仪，试图改善他们的障碍。在一些（但不是全部）可能认为是一个不那么无聊的应用中，汽车工程师正在开发基于脉冲激光二极管的测距仪，以警告驾驶员危险。激光测距传感器也被广泛应用。脉冲激光二极管在汽车避撞系统中提供光信号。

图23：用于碰撞检测的脉冲激光器

在激光安全扫描仪中，脉冲激光二极管在自动化生产线等潜在危险区域周围形成一个光幕。使用编码脉冲发射，可以监测二维窗帘，以区分允许和不允许的形状。来自脉冲激光二极管的高峰值功率，当与雪崩电光二极管结合使用时，提供了区分形状所需的灵敏度。除了作为一个安全接口外，这类设备还可以提供远程管理和诊断功能。越来越多的类似的系统被部署在智能高速公路上，以调节流量和识别收费站中的车辆。此外，有重要的研究支持脉冲激光二极管在激光针灸和治疗等医学应用中具有显著的伤口愈合能力。在625~905nm的光谱范围内，我们支持波长。后一种波长会深入到组织和骨骼中，以减轻关节的疼痛、肿胀和炎症，以及其他疾病。激光必须脉冲，以达到穿透和吸收所需的功率

使用激光二极管产生短而强大的脉冲是一种各种应用技术，无论由于技术还是经济原因，都无法用连续波激光二极管解决。激光元件和其他制造商已经开发了商业产品，并提供850、905和1550纳米的器件，具有广泛的输出功率和发射区域，包括单个发射器和堆叠器件。AWG允许您直接控制脉冲激光二极管或间接控制它使用电光或光声调制器。