前言

自1960年第一臺紅寶石激光器誕生以來，激光以其高光子簡并度的特性而備受關注。隨著更多應用的開發，激光技術在數十年的時間里得到了飛速發展，如激光調制技術、調Q技術、鎖模技術、穩頻技術、頻率轉換技術等一系列激光技術的出現，促使激光性能得到進一步提升。激光調制，是指通過一些特定方式，實現光信號一個或幾個特征參量（如激光的強度、頻率、相位、偏振等）的變化，且變化規律為特定可控。激光是一種頻率更高的電磁波，它具有很好的時間相干性和空間相干性，因此極易進行調制。激光調制作為一項重要的激光應用技術，已被廣泛應用于激光通訊、傳感、顯示及加工等領域。

1. 光調制器分類

** 1.1根據調制器與激光器的相對關系分類**

根據調制器與激光器的相對關系來分類，通?？蓪⒓す庹{制分為內調制和外調制。

1.1.1 內調制

內調制加載調制信號是在激光振蕩的過程中進行的，即通過調制信號的規律去改變激光振蕩的參數，從而達到改變激光輸出的特性，實現調制。目前最常見的內調制方式主要有兩種：

（1）通過泵浦：

由于泵浦是影響激光器輸出的最直接要素，因此，可直接控制激光器泵浦源（例如固體激光器，可通過泵浦輸出的功率大小、頻率及占空比等變化）直接影響激光器的最終輸出，從而實現輸出激光的調制。

（2）通過諧振腔：

諧振腔是組成激光器的三要素之一，因此，也可在諧振腔內放置調制元件，通過控制調制元件物理特性的變化，改變諧振腔的參數，從而實現激光輸出特性的改變。調Q技術實際上也是實現激光內調制的一種方式。

內調制的優點是調制效率高，但由于調制放在腔內進行，損耗及調制帶寬均會受到影響。

1.1.2 外調制

外調制發生在激光形成之后，即調制在激光諧振腔外的光路中進行，這一過程需要通過特定調制器件輔助實現。在調制器上加載調制信號后，可使調制器的某些物理特性發生相應的變化，當激光通過它時，光波的某些參量即得到調制。外調制改變的是已經輸出的激光的參數，相比于內調制，外調制的應用更加靈活，也更易實現所需要的調制效果，但由于外調制建立在激光已有輸出基礎上，因此，也存在一定的局限性，例如激光峰值的輸出，通過外調制無法進行改變，而通過內調制，這一特性是可以進行改變的。

1.2 根據調制器工作原理分類

按調制器的工作機理來分類，可分為直接調制、機械調制、磁光調制、電光調制，聲光調制。

1.2.1 直接調制

直接調制通常用于半導體激光器或發光二極管，電信號直接調制激光器的驅動電流，使輸出光隨電信號變化而實現調制。直接調制可分為兩種類別：

（1）直接調制中的TTL調制

在激光器電源上外加一個TTL數字信號，這樣就能通過外信號控制激光器驅動電流的通斷，進而控制激光的出光頻率。

（2）直接調制中的模擬調制

在激光器電源上外加模擬信號（幅值小于5V的任意變化信號波），可以使外信號輸入不同電壓時對應激光器不同的驅動電流，進而控制輸出激光的功率。

直接調制可使激光器達到很高的調制帶寬，3dB帶寬通常在10GHz以上。2020年日本電報電話公司（NTT）與東京工業大學未來科學與技術跨學科研究實驗室合作開發了使用銦磷的超高速薄膜激光器，更是實現3dB帶寬超過100GHz的直接調制激光器。雖然直接調制能夠實現很高的調制速率，但如前文提到的，其更適用于一些低功率的半導體激光器，對于大多工業應用場景中的所需的高功率激光，該技術并不適用。

1.2.2 機械調制

機械調制是指通過機械方式，對輸出的激光進行調制，由于機械調制受機械慣性及重量影響，通常無法實現很高的調制速度，只能達到幾十KHz。目前最常見的機械調制系統為光學斬波器，其通過電子控制的風扇式葉輪轉動，將連續的激光調制為具有一定頻率的周期性斷續光。光學斬波器的結構及控制相對簡單，但缺點也較明顯，除速度以外，其也無法對單發激光的強度及相位等進行調控。

1.2.3 磁光調制

當一束平面偏振光通過置于磁場中的磁光介質時，平面偏振光的偏振面就會隨著平行光線方向的磁場發生旋轉，這一現象稱為法拉第效應或磁光效應。磁光調制器是一種非機械式調制器，其是基于法拉第效應開發出的一類光調制器件。

在磁光介質上加入電路磁場，電路磁場的方向平行于磁光介質的通光軸向，由法拉第旋光角計算公式可知（其中為旋光角度，V為磁光介質維爾德常數，H為磁場強度，L為磁光介質的有效同光長度）：

在磁光介質恒定的情況下，法拉第旋轉角度取決于軸向電流磁場的大小。因此，控制高頻線圈電流，改變軸向信號磁場強度，就可以控制光振動面的旋轉角，使通過檢偏器的光振幅隨θ角的變化而變化，從而實現調制。

1.2.4電光調制

利用電光效應實現的調制叫電光調制。電光調制的物理基礎是電光效應，即某些晶體在外加電場的作用下，其折射率將發生變化，當光波通過此介質時，其傳輸特性就受到影響而改變。

實現電光調制的過程如上圖所示（以激光強度調制為例），電光普克爾盒內的晶體隨著加載電壓的變化，折射率橢球發生相應改變，橫向電光效應光的相位變化關系如下式：

其中，δ為相位變化量，λ為激光波長，γ為晶體電光習俗，n0為晶體折射率，V為加載在晶體上的電壓，l為晶體有效通光長度，d為晶體加壓方向厚度。從上式容易知道，當激光經過普克爾盒時，加載在電光晶體上的電壓的改變將導致激光偏振發生改變，從而實現激光的調制。

1.2.5 聲光調制

聲光調制的物理基礎是聲光效應，聲光效應是指光通過某一受到超聲波擾動的介質時發生衍射的現象, 這種現象是光與介質中的聲波相互作用的結果。介質的折射率周期變化形成折射率光柵時，光波在介質中傳播就會發生衍射現象，衍射光的強度、頻率和方向等將隨著超生波場的變化而變化。

聲光調制是利用聲光效應將信息加載于光頻載波上的一種物理過程，調制信號是以電信號（調幅）形式作用于電-聲換能器上，將相應的電信號轉化成超聲場。聲光效應的衍射效率公式如下：

其中，η為聲光調制器衍射效率，λ為激光波長，l為聲光介質有效通光長度，h為聲場作用寬度，P為射頻驅動功率，M為聲光介質的聲光優值。當激光經過聲光調制器時，便會發生聲光互作用，通過控制注入射驅動信號，我們能夠很容易實現激光的調制。

下表對已介紹的幾種主要調制方式的性能進行對比：

從上表中可以看出，由于電光調制及聲光調制具有較優越的性能（尤其在調制速度方面）且技術成熟，目前，激光應用市場普遍采納這兩種調制技術作為調制最終解決方案。

隨著激光技術的不斷發展，現有調制技術的瓶頸將不斷被突破，新調制技術也將不斷被開發并應用，激光調制在激光應用中將發揮更大的作用。脈博光電雖是一家初創企業，但憑借在調制技術領域數十年的研究及積累，擁有著對激光調制更深的理解，未來，脈博光電將依托自身優勢，在此領域不斷深耕，不斷突破可能的極限，助力激光技術及產業的發展。