任意波形發(fā)生器在電光調制器、量子光學和脈沖激光二極管中的應用

概要

現(xiàn)在，光學、光子學和激光技術應用越來越流行。新一代的科學家們正在汽車、醫(yī)療、航空航天、國防、量子和激光傳感器等領域開辟新天地。這些領域的應用挑戰(zhàn)不斷增加。昊量光電的任意波形和函數(shù)發(fā)生器幫助工程師應對這些挑戰(zhàn)，生成各種類型的脈沖、信號和調制，滿足不同應用的需求。以下是一些AWG應用的示例：

產生高振幅和高速脈沖來直接驅動電光調制器；

產生不同類型的信號和脈沖以推動量子光學的研究；

產生脈沖來驅動脈沖激光二極管。

1. 電光調制器

集成光波導能夠像光纖一樣引導光沿特定路徑傳播。該波導由一個折射率高于周圍材料的通道組成。

圖1：集成光波導

光通過通道壁的全內反射來引導。根據(jù)波長、襯底折射率、折射率差、通道的寬度和深度，可以激發(fā)一個或多個橫向振蕩模式。單模操作是非常有價值的，因為它是許多集成的光學元件的功能。集成光學元件特別是在光通信技術中通常配備光纖，線性電光效應，也稱為波克爾效應，是一種二階非線性效應，包括在外加電場時光學材料折射率的變化。折射率的變化量與電場強度、其方向和光的偏振率成正比。

制造集成光調制器的shou選材料是鈮酸鋰（LiNb3）。

如果使用長度為L的電極將電場施加于電導，則電極之間區(qū)域的折射率會發(fā)生變化，從而產生引導光的相移，相移與所施加的電壓會呈線性關系。

圖2：相位調制器

圖3：相移

這相當于幾伏特，在給定的電極幾何形狀下；對于較長的波長，它比較短的波長要高，例如，可以期望在紅色區(qū)域為3V（635nm），在電信波長范圍內（約1550 nm）為10 V。

由于非?？焖俚碾姽忭憫?，較低的控制電壓和使用復雜的電極幾何形狀，它可以在千兆赫茲范圍內的頻率上實現(xiàn)調制。將相位調制器插入集成的Mach-Zehnder干涉儀中，形成調幅器。

圖4：Mach-Zehnder振幅調制器

施加電壓會導致分支之間的相對相位差，從而通過干擾導致器件輸出處的輸出功率的變化。因此，設備傳輸可以控制在min值和max值（P min到Pmax）之間。從打開狀態(tài)到關閉狀態(tài)切換需要π的相對相位差。所需的電壓稱為調幅器的半波電壓Vπ。由于推拉操作，調幅器的半波電壓是具有相等電極長度的相位調制器的半波電壓的一半。例如，在635 nm處可以預計紅色為1.5 V，在約1550 nm的通信波長范圍內為5V。

圖5：輸入/輸出指示燈

圖6：振幅調制器特性曲線

將射頻信號作為調制電壓應用于電極，該電壓輸入被轉換為振幅信息。這個振幅輸出取決于電壓的大小和形狀，因此與調制器工作點的位置有關。該圖描述了一個二進制脈沖電輸入到一個二進制光輸出信號的傳輸。如果電壓電平不正確，即電壓過高或偏移量不正確，調制器將在二進制操作中與不正確的光輸出電平或在模擬操作中與更高的諧波發(fā)生反應。

圖7：Mach-Zehnder振幅器操作

圖8：電光調制器

Arb Rider AWG任意波形發(fā)生器允許您通過產生非常窄的脈沖（min脈沖寬度是230 ps）與高達5 Vpp的振幅來創(chuàng)建調制電壓。高振幅輸出信號，結合110 ps的升降時間（5 Vpp @ 2 GHz帶寬），使您可以直接驅動不同類型的電光調制器，而不添加外部放大器。

圖9：AWG-5000和電光調制器連接圖

任意波形發(fā)生器用戶界面，它可以很容易地產生不同的脈沖形狀，從而提供更深入的光輸出信號控制。

圖10：AWG-5000min脈沖寬度- 230 ps

圖11：True-Arb UI -多重脈沖生成

圖12：示波器的屏幕截圖-多脈沖生成5Vpp振幅

圖13：電光調制器控制的真弧設置

圖14：具有3.5Vpp振幅的電光調制器的電壓輸入信號

圖15：3.5Vpp變焦電光調制器的電壓輸入信號

任意波形發(fā)生器用戶界面，它可以很容易地產生不同的脈沖形狀，從而提供更深入的光輸出信號控制。

2. 量子光學

在金剛石晶體中存在一種缺陷，這種缺陷會吸收和發(fā)射光線，這里的碳原子被其他種類的原子替代，相鄰的晶格位置是空的。由于這種缺陷可以明亮地發(fā)射單光子，并且自旋可以被光學手段控制，晶體中心可以成為未來量子信息處理和量子網絡的有前途的固態(tài)量子發(fā)射器。在固態(tài)量子發(fā)射器中，量子點和金剛石中的氮空位（NV）中心是兩個成熟的系統(tǒng)。然而，在這兩個系統(tǒng)之間，NVs表現(xiàn)出超過1s的優(yōu)良相干時間，但缺乏產生難以區(qū)分光子所需的零聲子線（ZPL）的有效發(fā)射，而量子點在發(fā)射特性方面顯示出很大的前景，但限制在10ns相干時間。這突出了使用固態(tài)量子發(fā)射器工作的典型挑戰(zhàn)：

單光子產生

發(fā)射器自旋相干時間

zui近對金剛石部分SiV中的第四組空缺中心的調查顯示了滿足這一領域的希望結果。

圖16：固態(tài)量子發(fā)射器

結合其良好的自旋特性，錫基空位中心在納米結構中強而穩(wěn)定，非常適合集成到零光子線發(fā)射中。金剛石中的IV族空位中心由于其晶體對稱性而表現(xiàn)出良好的光學性質，有利于發(fā)射到ZPL，SiV中心在100 mK時顯示出10 ms的相干時間，而SnV在2K時顯示出類似的時間——標準氦低溫恒溫器容易達到的溫度。

Arb-Rider AWG系列已被用于控制實驗脈沖的序列，用于在金剛石中操縱單個錫空位中心。AWG允許產生具有高振幅（>1.5V）的窄電方脈沖，以控制電光振幅調制器，以產生短激光脈沖。利用這種機制，可以產生接近高斯形狀的光脈沖，其全寬半max值窄至280ps。此外，AWG-5064已被用于驅動電光相位調制器，產生高達約2 GHz的頻率邊帶，使相位穩(wěn)定激光場驅動兩個光學躍遷。

圖17：高斯光脈沖

AWG的數(shù)字輸出通道，允許控制光聲振幅調制器，或者它們被用于產生實驗序列定時的觸發(fā)脈沖。在未來，將有必要根據(jù)序列中某個讀取的結果對測量協(xié)議進行實時控制。

圖20：高斯光脈沖真弧設置

圖21：高斯脈沖- 230 ps寬，2 Vpp振幅

3. 脈沖激光二極管驅動器

脈沖激光二極管提供強功率短脈沖的能力使其成為目標zhi定和測距等軍事應用的理想選擇。事實上，開發(fā)這些二極管的許多歷史動機都有軍事根源。然而，今天的技術改進和成本降低正在計量學和醫(yī)學領域開辟了新的應用。

標準激光二極管被設計為發(fā)射連續(xù)波輻射，功率從幾mW到幾W。脈沖激光器在一個較低的占空比下工作，所以熱量去除不是一個問題。脈沖激光器和連續(xù)波激光器之間的另一個設計區(qū)別是，脈沖激光器的輸出面的反射率通常要低得多。在典型的連續(xù)波激光器上，通過限制發(fā)射寬度為5到35µm來降低閾值。雖然激光閾值電流與這個寬度成正比，但脈沖激光器產生的高增益允許該寬度增加到400µm，并相應地增加峰值功率。

如果沒有預防措施，這種寬度和高增益的短諧振器的組合可能會導致旋轉模式，在這種模式下，循環(huán)功率在增益區(qū)域內傾斜反彈，而不是在端面之間來回彎曲。

影響閾值的另一個因素是，脈沖激光器的結構通常被配置為提供小于25°的光束散度，而典型的連續(xù)波器件將提供35°到45°。更緊的光束是通過允許光子擴散到一個“大光腔"來實現(xiàn)的，這是一個橫向較弱的波導，減少了增益區(qū)域的光子數(shù)量。由于脈沖激光器結構中沒有嵌入橫向波導，因此在該方向上的光束散度通常為10°。

脈沖激光二極管被設計為用大電流脈沖驅動，產生短的、高功率的光脈沖。為了達到大多數(shù)應用所需的非常高峰值光功率，占空比通常保持在0.1%以下。這意味著一個100ns的光脈沖之后會暫停100µs；也就是說，非常短的脈沖的重復頻率在千赫茲范圍內。max脈沖長度通常在200ns范圍內；更常見的是在3~50 ns之間的脈沖。產生這些光脈沖需要幾十安培的電流。這樣的高電流水平需要快速開關晶體管和適當?shù)碾娐?，所有的電氣連接保持盡可能的短，以減少感應損耗。因此，脈沖激光受益于連續(xù)激光技術的進步，脈沖激光被優(yōu)化，在其應用中提供高性能，以促進經濟生產。

當?shù)?個商用的砷化鎵脈沖激光器可用時，它們的波長為905納米。不錯的是這接近硅探測器的峰值響應率，并且在附近有一個吸水峰，這降低了環(huán)境光，提高了檢測靈敏度。隨著新技術和基于不同半導體材料的激光器的出現(xiàn)，生產不同波長的激光器變得可行。但是在1550納米范圍內的激光由于其通過霧和煙霧的傳輸而受到更多的關注。另一個明顯的優(yōu)點是，這種波長對視力的危害比較短的波長要小。

飛行時間、其他功能

脈沖激光二極管的許多應用都是種子測距應用的變體，其中目標距離是通過測量從目標反射或反向散射的激光脈沖的飛行時間來計算的。利用這一原理，一些更復雜的儀器可以在高達10公里的距離上進行精確的測量。例如，jing 察激光“速度槍"可以在3300英尺（1000米）的速度下測量時速155英里（250 km/h），準確率為1%到3%。傳統(tǒng)的射頻速度炮直接從反射信號的多普勒頻移的大小來測量速度，激光速度炮通過比較不同時間的距離測量來計算速度。自從價格下降以來，眼睛安全的測距儀已經可以用于各種娛樂活動。例如，獵人可以購買激光測距設備，在幾百米的范圍內以一到一米的精度測量到目標的距離。

同樣，高爾夫球手也可以購買便宜的激光測距儀，試圖改善他們的障礙。在一些（但不是全部）可能認為是一個不那么無聊的應用中，汽車工程師正在開發(fā)基于脈沖激光二極管的測距儀，以警告駕駛員危險。激光測距傳感器也被廣泛應用。脈沖激光二極管在汽車避撞系統(tǒng)中提供光信號，用作船舶的導航輔助設備，特別是在港口和港口；在機場用于云測量的天花板計中；和在測量和建設。

圖23：用于碰撞檢測的脈沖激光器

在激光安全掃描儀中，脈沖激光二極管在自動化生產線等潛在危險區(qū)域周圍形成一個光幕。使用編碼脈沖發(fā)射，可以監(jiān)測二維窗簾，以區(qū)分允許和不允許的形狀。來自脈沖激光二極管的高峰值功率，當與雪崩電光二極管結合使用時，提供了區(qū)分形狀所需的靈敏度。除了作為一個安全接口外，這類設備還可以提供遠程管理和診斷功能。越來越多的類似的系統(tǒng)被部署在智能高速公路上，以調節(jié)流量和識別收費站中的車輛。此外，有重要的研究支持脈沖激光二極管在激光針灸和治療等醫(yī)學應用中具有顯著的傷口愈合能力。在625~905nm的光譜范圍內，我們支持波長。后一種波長會深入到組織和骨骼中，以減輕關節(jié)的疼痛、腫脹和炎癥，以及其他疾病。激光必須脈沖，以達到穿透和吸收所需的功率.

使用激光二極管產生短而強大的脈沖是一種各種應用技術，無論由于技術還是經濟原因，都無法用連續(xù)波激光二極管解決。激光元件和其他制造商已經開發(fā)了商業(yè)產品，并提供850、905和1550納米的器件，具有廣泛的輸出功率和發(fā)射區(qū)域，包括單個發(fā)射器和堆疊器件。AWG允許您直接控制脈沖激光二極管或間接控制它使用電光或光聲調制器。

圖24：直接調制脈沖激光二極管驅動器

圖25：外部調制-脈沖激光二極管驅動器

脈沖激光二極管需要以高振幅和非常短和窄的脈沖驅動：AWG-5000可以產生矩形、高斯、指數(shù)形狀的脈沖，振幅高達5Vpp，升降時間為110 ps，min脈沖寬度為230 ps。

下面的屏幕截圖證明了用True-Arb UI輕松地創(chuàng)建不同的脈沖，然后通過示波器復制它們的可能性。

圖26：高斯脈沖- 230 ps寬，2 Vpp振幅

圖27：高斯脈沖- 230 ps寬，2 Vpp振幅

圖28：高斯脈沖- 230 ps寬，2 Vpp振幅

圖29：脈沖激光二極管控制的矩形脈沖

圖30：5 Vpp，3ns矩形脈沖

結論：

Arb Rider AWG-5000系列為您提供了一個非常靈活和高性能的解決方案，以生成所有類型的脈沖或信號，以滿足當今量子光學、光子學和激光應用的挑戰(zhàn)。新行業(yè)的要求和新產品的開發(fā)，增加了對jian 端測試設備儀器的需求，以滿足苛刻的應用和新的科學家的想法。

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