任意波形發(fā)生器在電光調(diào)制器、量子光學(xué)和脈沖激光二極管中的應(yīng)用

概要

現(xiàn)在，光學(xué)、光子學(xué)和激光技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越流行。新一代的科學(xué)家們正在汽車、醫(yī)療、航空航天、國(guó)防、量子和激光傳感器等領(lǐng)域開(kāi)辟新天地。這些領(lǐng)域的應(yīng)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(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，生成各種類型的脈沖、信號(hào)和調(diào)制，滿足不同應(yīng)用的需求。以下是一些AWG應(yīng)用的示例：

產(chǎn)生高振幅和高速脈沖來(lái)直接驅(qū)動(dòng)電光調(diào)制器；

產(chǎn)生不同類型的信號(hào)和脈沖以推動(dòng)量子光學(xué)的研究；

產(chǎn)生脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)脈沖激光二極管。

1. 電光調(diào)制器

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

圖1：集成光波導(dǎo)

光通過(guò)通道壁的全內(nèi)反射來(lái)引導(dǎo)。根據(jù)波長(zhǎng)、襯底折射率、折射率差、通道的寬度和深度，可以激發(fā)一個(gè)或多個(gè)橫向振蕩模式。單模操作是非常有價(jià)值的，因?yàn)樗窃S多集成的光學(xué)元件的功能。集成光學(xué)元件特別是在光通信技術(shù)中通常配備光纖，線性電光效應(yīng)，也稱為波克爾效應(yīng)，是一種二階非線性效應(yīng)，包括在外加電場(chǎng)時(shí)光學(xué)材料折射率的變化。折射率的變化量與電場(chǎng)強(qiáng)度、其方向和光的偏振率成正比。

制造集成光調(diào)制器的shou選材料是鈮酸鋰（LiNb3）。

如果使用長(zhǎng)度為L(zhǎng)的電極將電場(chǎng)施加于電導(dǎo)，則電極之間區(qū)域的折射率會(huì)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生引導(dǎo)光的相移，相移與所施加的電壓會(huì)呈線性關(guān)系。

圖2：相位調(diào)制器

圖3：相移

這相當(dāng)于幾伏特，在給定的電極幾何形狀下；對(duì)于較長(zhǎng)的波長(zhǎng)，它比較短的波長(zhǎng)要高，例如，可以期望在紅色區(qū)域?yàn)?V（635nm），在電信波長(zhǎng)范圍內(nèi)（約1550 nm）為10 V。

由于非常快速的電光響應(yīng)，較低的控制電壓和使用復(fù)雜的電極幾何形狀，它可以在千兆赫茲范圍內(nèi)的頻率上實(shí)現(xiàn)調(diào)制。將相位調(diào)制器插入集成的Mach-Zehnder干涉儀中，形成調(diào)幅器。

圖4：Mach-Zehnder振幅調(diào)制器

施加電壓會(huì)導(dǎo)致分支之間的相對(duì)相位差，從而通過(guò)干擾導(dǎo)致器件輸出處的輸出功率的變化。因此，設(shè)備傳輸可以控制在min值和max值（P min到Pmax）之間。從打開(kāi)狀態(tài)到關(guān)閉狀態(tài)切換需要π的相對(duì)相位差。所需的電壓稱為調(diào)幅器的半波電壓Vπ。由于推拉操作，調(diào)幅器的半波電壓是具有相等電極長(zhǎng)度的相位調(diào)制器的半波電壓的一半。例如，在635 nm處可以預(yù)計(jì)紅色為1.5 V，在約1550 nm的通信波長(zhǎng)范圍內(nèi)為5V。

圖5：輸入/輸出指示燈

圖6：振幅調(diào)制器特性曲線

將射頻信號(hào)作為調(diào)制電壓應(yīng)用于電極，該電壓輸入被轉(zhuǎn)換為振幅信息。這個(gè)振幅輸出取決于電壓的大小和形狀，因此與調(diào)制器工作點(diǎn)的位置有關(guān)。該圖描述了一個(gè)二進(jìn)制脈沖電輸入到一個(gè)二進(jìn)制光輸出信號(hào)的傳輸。如果電壓電平不正確，即電壓過(guò)高或偏移量不正確，調(diào)制器將在二進(jìn)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(yīng)。

圖7：Mach-Zehnder振幅器操作

圖8：電光調(diào)制器

Arb Rider AWG任意波形發(fā)生器允許您通過(guò)產(chǎn)生非常窄的脈沖（min脈沖寬度是230 ps）與高達(dá)5 Vpp的振幅來(lái)創(chuàng)建調(diào)制電壓。高振幅輸出信號(hào)，結(jié)合110 ps的升降時(shí)間（5 Vpp @ 2 GHz帶寬），使您可以直接驅(qū)動(dòng)不同類型的電光調(diào)制器，而不添加外部放大器。

圖9：AWG-5000和電光調(diào)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(chǎn)生不同的脈沖形狀，從而提供更深入的光輸出信號(hào)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(diào)制器控制的真弧設(shè)置

圖14：具有3.5Vpp振幅的電光調(diào)制器的電壓輸入信號(hào)

圖15：3.5Vpp變焦電光調(diào)制器的電壓輸入信號(hào)

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

2. 量子光學(xué)

在金剛石晶體中存在一種缺陷，這種缺陷會(huì)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(xué)手段控制，晶體中心可以成為未來(lái)量子信息處理和量子網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)和金剛石中的氮空位（NV）中心是兩個(gè)成熟的系統(tǒng)。然而，在這兩個(gè)系統(tǒng)之間，NVs表現(xiàn)出超過(guò)1s的優(yōu)良相干時(shí)間，但缺乏產(chǎn)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(diǎn)在發(fā)射特性方面顯示出很大的前景，但限制在10ns相干時(shí)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(chǎn)生

發(fā)射器自旋相干時(shí)間

zui近對(duì)金剛石部分SiV中的第四組空缺中心的調(diào)查顯示了滿足這一領(lǐng)域的希望結(jié)果。

圖16：固態(tài)量子發(fā)射器

結(jié)合其良好的自旋特性，錫基空位中心在納米結(jié)構(gòu)中強(qiáng)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(duì)稱性而表現(xiàn)出良好的光學(xué)性質(zhì)，有利于發(fā)射到ZPL，SiV中心在100 mK時(shí)顯示出10 ms的相干時(shí)間，而SnV在2K時(shí)顯示出類似的時(shí)間——標(biāo)準(zhǔn)氦低溫恒溫器容易達(dá)到的溫度。

Arb-Rider AWG系列已被用于控制實(shí)驗(yàn)脈沖的序列，用于在金剛石中操縱單個(gè)錫空位中心。AWG允許產(chǎn)生具有高振幅（>1.5V）的窄電方脈沖，以控制電光振幅調(diào)制器，以產(chǎn)生短激光脈沖。利用這種機(jī)制，可以產(chǎn)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(qū)動(dòng)電光相位調(diào)制器，產(chǎn)生高達(dá)約2 GHz的頻率邊帶，使相位穩(wěn)定激光場(chǎng)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)光學(xué)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(diào)制器，或者它們被用于產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)序列定時(shí)的觸發(fā)脈沖。在未來(lái)，將有必要根據(jù)序列中某個(gè)讀取的結(jié)果對(duì)測(cè)量協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

圖20：高斯光脈沖真弧設(shè)置

圖21：高斯脈沖- 230 ps寬，2 Vpp振幅

3. 脈沖激光二極管驅(qū)動(dòng)器

脈沖激光二極管提供強(qiáng)功率短脈沖的能力使其成為目標(biāo)zhi定和測(cè)距等軍事應(yīng)用的理想選擇。事實(shí)上，開(kāi)發(fā)這些二極管的許多歷史動(dòng)機(jī)都有軍事根源。然而，今天的技術(shù)改進(jìn)和成本降低正在計(jì)量學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域開(kāi)辟了新的應(yīng)用。

標(biāo)準(zhǔn)激光二極管被設(shè)計(jì)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(gè)較低的占空比下工作，所以熱量去除不是一個(gè)問(wèn)題。脈沖激光器和連續(xù)波激光器之間的另一個(gè)設(shè)計(jì)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(guò)限制發(fā)射寬度為5到35µm來(lái)降低閾值。雖然激光閾值電流與這個(gè)寬度成正比，但脈沖激光器產(chǎn)生的高增益允許該寬度增加到400µm，并相應(yīng)地增加峰值功率。

如果沒(méi)有預(yù)防措施，這種寬度和高增益的短諧振器的組合可能會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)模式，在這種模式下，循環(huán)功率在增益區(qū)域內(nèi)傾斜反彈，而不是在端面之間來(lái)回彎曲。

影響閾值的另一個(gè)因素是，脈沖激光器的結(jié)構(gòu)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(guò)允許光子擴(kuò)散到一個(gè)“大光腔"來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這是一個(gè)橫向較弱的波導(dǎo)，減少了增益區(qū)域的光子數(shù)量。由于脈沖激光器結(jié)構(gòu)中沒(méi)有嵌入橫向波導(dǎo)，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(shè)計(jì)為用大電流脈沖驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生短的、高功率的光脈沖。為了達(dá)到大多數(shù)應(yīng)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(gè)100ns的光脈沖之后會(huì)暫停100µs；也就是說(shuō)，非常短的脈沖的重復(fù)頻率在千赫茲范圍內(nèi)。max脈沖長(zhǎng)度通常在200ns范圍內(nèi)；更常見(jiàn)的是在3~50 ns之間的脈沖。產(chǎn)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(kāi)關(guān)晶體管和適當(dāng)?shù)碾娐?，所有的電氣連接保持盡可能的短，以減少感應(yīng)損耗。因此，脈沖激光受益于連續(xù)激光技術(shù)的進(jìn)步，脈沖激光被優(yōu)化，在其應(yīng)用中提供高性能，以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)。

當(dāng)?shù)?個(gè)商用的砷化鎵脈沖激光器可用時(shí)，它們的波長(zhǎng)為905納米。不錯(cuò)的是這接近硅探測(cè)器的峰值響應(yīng)率，并且在附近有一個(gè)吸水峰，這降低了環(huán)境光，提高了檢測(cè)靈敏度。隨著新技術(shù)和基于不同半導(dǎo)體材料的激光器的出現(xiàn)，生產(chǎn)不同波長(zhǎng)的激光器變得可行。但是在1550納米范圍內(nèi)的激光由于其通過(guò)霧和煙霧的傳輸而受到更多的關(guān)注。另一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)是，這種波長(zhǎng)對(duì)視力的危害比較短的波長(zhǎng)要小。

飛行時(shí)間、其他功能

脈沖激光二極管的許多應(yīng)用都是種子測(cè)距應(yīng)用的變體，其中目標(biāo)距離是通過(guò)測(cè)量從目標(biāo)反射或反向散射的激光脈沖的飛行時(shí)間來(lái)計(jì)算的。利用這一原理，一些更復(fù)雜的儀器可以在高達(dá)10公里的距離上進(jìn)行精確的測(cè)量。例如，jing 察激光“速度槍"可以在3300英尺（1000米）的速度下測(cè)量時(shí)速155英里（250 km/h），準(zhǔn)確率為1%到3%。傳統(tǒng)的射頻速度炮直接從反射信號(hào)的多普勒頻移的大小來(lái)測(cè)量速度，激光速度炮通過(guò)比較不同時(shí)間的距離測(cè)量來(lái)計(jì)算速度。自從價(jià)格下降以來(lái)，眼睛安全的測(cè)距儀已經(jīng)可以用于各種娛樂(lè)活動(dòng)。例如，獵人可以購(gòu)買激光測(cè)距設(shè)備，在幾百米的范圍內(nèi)以一到一米的精度測(cè)量到目標(biāo)的距離。

同樣，高爾夫球手也可以購(gòu)買便宜的激光測(cè)距儀，試圖改善他們的障礙。在一些（但不是全部）可能認(rèn)為是一個(gè)不那么無(wú)聊的應(yīng)用中，汽車工程師正在開(kāi)發(fā)基于脈沖激光二極管的測(cè)距儀，以警告駕駛員危險(xiǎn)。激光測(cè)距傳感器也被廣泛應(yīng)用。脈沖激光二極管在汽車避撞系統(tǒng)中提供光信號(hào)，用作船舶的導(dǎo)航輔助設(shè)備，特別是在港口和港口；在機(jī)場(chǎng)用于云測(cè)量的天花板計(jì)中；和在測(cè)量和建設(shè)。

圖23：用于碰撞檢測(cè)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(dòng)化生產(chǎn)線等潛在危險(xiǎn)區(qū)域周圍形成一個(gè)光幕。使用編碼脈沖發(fā)射，可以監(jiān)測(cè)二維窗簾，以區(qū)分允許和不允許的形狀。來(lái)自脈沖激光二極管的高峰值功率，當(dāng)與雪崩電光二極管結(jié)合使用時(shí)，提供了區(qū)分形狀所需的靈敏度。除了作為一個(gè)安全接口外，這類設(shè)備還可以提供遠(yuǎn)程管理和診斷功能。越來(lái)越多的類似的系統(tǒng)被部署在智能高速公路上，以調(diào)節(jié)流量和識(shí)別收費(fèi)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(xué)應(yīng)用中具有顯著的傷口愈合能力。在625~905nm的光譜范圍內(nèi)，我們支持波長(zhǎng)。后一種波長(zhǎng)會(huì)深入到組織和骨骼中，以減輕關(guān)節(jié)的疼痛、腫脹和炎癥，以及其他疾病。激光必須脈沖，以達(dá)到穿透和吸收所需的功率.

使用激光二極管產(chǎn)生短而強(qiáng)大的脈沖是一種各種應(yīng)用技術(shù)，無(wú)論由于技術(shù)還是經(jīng)濟(jì)原因，都無(wú)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(jīng)開(kāi)發(fā)了商業(yè)產(chǎn)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(gè)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(diào)制器。

圖24：直接調(diào)制脈沖激光二極管驅(qū)動(dòng)器

圖25：外部調(diào)制-脈沖激光二極管驅(qū)動(dòng)器

脈沖激光二極管需要以高振幅和非常短和窄的脈沖驅(qū)動(dòng)：AWG-5000可以產(chǎn)生矩形、高斯、指數(shù)形狀的脈沖，振幅高達(dá)5Vpp，升降時(shí)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(guò)示波器復(fù)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(jié)論：

Arb Rider AWG-5000系列為您提供了一個(gè)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(hào)，以滿足當(dāng)今量子光學(xué)、光子學(xué)和激光應(yīng)用的挑戰(zhàn)。新行業(yè)的要求和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，增加了對(duì)jian 端測(cè)試設(shè)備儀器的需求，以滿足苛刻的應(yīng)用和新的科學(xué)家的想法。

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