空间光调制器及光通信应用

空间光调制器是逆向调制型自由空间激光通信系统中的核心器件,决定了通信链路的性能。空间光调制器主要对空间光传输进行可控调制,其输出光的振幅、相位、偏振等随控制信号变化而变化司。

空间光调制器的主要技术性能参数包括:

1)调制深度:对于振幅调制,定义为最 大输出与最小输出的比;

2)调制速度:输出光能准确响应控制信号的最 高速度;

3)工作波长带宽:指调制器可工作的波长范围;

4)视场角:指调制器可工作的人射光角度范围;5)驱动电压:指调制器工作的电压。液晶光调制器和微机电光调制器的速度都低于100kHz,无法满足高速通信需求。声光调制器基于布拉格衍射,对光束角度非常敏感,其视角仅1°~2°,对于运动平台间的自由空间激光通信应用并不太适合。电光晶体光调制器工作电压高达数百伏,能耗大也不适合无人机等平台。

量子阱电吸收调制技术是目前逆向调制空间光通信的主流技术。其工作原理是基于量子阱在外加偏压下的量子斯达克效应,即吸收带边在偏压下会发生波长移动,使得对应波长的光吸收系数发生变化,从而实现电吸收光调制。

1992 年加州大学在美国空军科学研究办公室的经费支持下研发出了30pmX30μm窗口的器件,调制速度高达21GHz[。大调制深度需要两个调制态之间的光吸收差别较大。

透射型的量子阱电吸收空间光调制器通过量子阱对人射光的吸收实现透射光强度在高低态间的调制。增加量子阱的数目可以增加光吸收即对比度,然而这样势必增加串联电阻，提高工作电压。为了进一步在低驱动电压下得到大的调制深度,耦合量子阱的方法被提出来以克服普通方势阱大开启电压的问题。

2004年美国海军实验室成功生长出耦合量子阱并制备了InGaAs/InAlAs 的电吸收调制器,把驱动电压降到10 V以下，在1.55pm波长处仅6V的偏压得到了1.5的对比度。在量子阱层一侧增加高反射镜,形成反射型的空间光调制器,可以使得人射光两次经过量子阱层,也可以提高调制深度。更常用的是在量子阱一侧形成高反射镜,另一层形成部分反射镜,当上下反射面的反射率和量子阱层的吸收损耗满足匹配关系时，整个调制器的反射接近零，而不匹配时反射为最大值,从而实现较大的调制深度则。2005年瑞典AcreoAB研究院报道了基于上下反射镜的垂直腔电吸收空间光调制器,10V偏压下得到高达335的对比度。