量子级联激光器调制
副载波相位调制光信号通过同步量子级联激光器放大 维斯瓦-巴拉蒂大学，印度，西孟加拉邦，桑蒂尼盖登 摘要. 本文从理论上研究了一个输入副载波多路相位调制光波的同步的量子级联激光器的扩增性能。输出的光相位调制振幅对应一个给定应的计算过的微波副载波。用精确微波副载波完成理想的三阶交越失真相位调制和基于输入相位调制（PM）系数的研究分析。 关键词. 交越失真,注入锁定振荡器, 非线性系统, 光学放大器, 相位调制, 量子阱激光器, 同步复用。 PACS~(2010). 42.55.Px, 42.60.Da, 42.60.Fc, 42.65.Ky,42.30.Lr.
1 引言 量子级联激光器（QCL）于1994在贝尔实验室首次展示[ 1 ]。卡扎里若夫和苏里斯[ 2 ]曾在超晶格曾经预测光扩张的极限。与其他半导体激光器相比量子级联激光器是一种高功率激光器。在QCL中，电子进行一系列又高到低的变动就像处在活跃介质的电位中一样。在这个过程中当一个级联产生时一部分相同的光子在高功率辐射下被发射。目前QCL可以涵盖非操作排列中远红外区域在5-20THZ的吸收边带，它可以在一个很广的范围里作为一个潜在地红外
源。在QCL发明以后，各种可能使用这种激光的应用[ 8,12 ]正在被研究中。QCL的应用是光前通信的一种。最近，QCL的同步[ 13 ]吸引了不少的科学家。在同步模式下QCL可以作为一个强大的光信号角调制放大器[ 14,15 ]。同时它还可以用来检测光信号相位调制[ 16 ]。 在本文中，我们研究的一个理论上副载波多路复用(SCM)调相(PM)光信号的放大性能通过一个被用像视频信号一样的消息信号调制过的微波副载波来同步的QCL。QCL同步可能作为SCM PM光学信号放大器潜在的应用同时可能在光学信号处理过程中能用的到。我们计算了放大的SCM PM信号相位调制放大倍数和三阶交越失真(IMD)。IMD可以由本文提供方程的物理参数来确定。
2 线路描述 SCM PM光学信号放大器的电路原理如图1所示 这里，CW光波在可以掺钛的 LiNbO3的调制器中被一部分有角频率1，2„„m的微波副载波调制。在微波功能组合器的微波域中微波副载波完成了复用。衰减器用来控制SCM PM 光学信号的功率，同时把光学信号注入到QCL中。QCL在中远红外区域可以当做一个非线性振荡器。同步是一个非线性现象。注入光波的功率相对于不同步的QCL的输出功率和自然频率的QCL中CW注入光的波频率间隔来说,QCL可以同步到注射光波。在这中情况下，同步QCL的照射激光将以注射光波的振荡频率代替它自己的频率同时与CW注入光波维持一个恒定的相位误差。QCL将因此遵循的注射光学信号。这就是QCL的同步过程。越小的频率间隔和越大的相对注入功率可以使QCL同步更容易实现。在同步过程中，QCL将遵循注射光波的相位变化。锁定带宽的QCL必须足够宽来容纳注入的SCM PM信号。锁定带宽取决于相对注射光波的功率级和激光腔的反应能量以及装置的非线性密度。在同步QCL的输出端，我们得到放大的SCM PM光信号。
图 1. 是关于副载波多路复用调相光学信号放大器的电路原理图 3 设计分析 我们认为光相位调制应由一部分多路复用的微波副载波在光相位调制器中完成。我们用电路方程代表多路复用的微波副载波
其中pV是电压的振幅p是p-th微波副载波的角频率，m是微波副载波的数量。用 LiNbO3相位调制器产生的副载波调制光载波相位，可表为如下公式
0E是PM光波，载波角频率为C的PM光波的电场振幅，VVpp是p-th微波副载波的相
位调制指数。V是半波电压调相器。我们可以假定所有的微波副载波的电压是相同的,同时让0mpVV以便00VVmp，p=1,2,„„m这个相位调制的光信号被注入到一个注入被锁定副载波多路复用调相光波的量子级联激光器中。为了分析注入锁定[ 12 ]了副载波多路复用调相光波的量子级联激光器的响应，我们开发一个量子级联激光器的输电线路模型[ 13 ]。QCL级联激光器输电线路的活跃增益类似于g增益，长度l，损耗。QCL是强度模的态增益(g)可以表示为
I 表示激光强度，sI表示饱和磁化强度，其定义为强度增益下降到一半的不饱和低强度值。此时，g0 =c，c是QCL的腔损耗，m代表输出端损耗或者镜面损耗。活跃区域的长度是l也就是导线的长度。QCL的空腔长度是l，SCM PM光波的合成振幅注入到受控QCL可以被表示为
i表示一个任意的相角，QCL输出的合成振幅可以表示为
0是锁定并包含调制放大光波的QCL的输出相角。导线的传播常数可以从以下得到
'
是行对应角频率的相移常数。导线的输入导纳可表示为
aY是真空导纳，n 是活跃增益的折射率。在这里我们假定（1tanh1ln）
磁场H 和电场E 在激光腔是相关的，方程为
我们可以得到 和 腔共振的条件为 K =1，2，3，„„etc。'0= 02和0是与角频率0相对应的腔内光波波长。对于一个轻微去谐的波，可以得到
)1(0
是偏振程度，是光波的角频率。考虑到在时间的影响下电厂光波频率的变化，
需要用)1(0dtdEEj替换。腔的外部品质因数可以表示为
用等效电路的概念。假设双曲正切ll并把（8）（10）（11）带入（9），使（9）的两边虚数部分相等，我们得到注入QCL的相位方程为
其中22fEEy，)()(0tti，00，Q是激光腔的外部品质因数。fE是拥有受控角频率0的QCL的自激光学电场振幅，)(t是输入输出相位之差。C1，C2，C3是QCL,的参数定义为2201)1(sfEEglnnC, 2)1(2mlnnC
204
4
03])1(2[1)1()1(lnngnnEEglnnCms
f
.n 是折射率的活跃增益，比如
AsGaInxx1层[17] 与x=0.5。sE表示饱和电场。QCL同样由锑化物的基础材料构成[18-22 ]。
如果我们考虑注入CW光波到锁定的QCL，那么dtd在稳态时锁定。同样，在低水平注入时，1y那么，从式（15）与00（i.e., 不调制) 我们得到
锁定边带的上下极限取决于1sin，全部的锁定边带（LB）可以从表达式中得到 pi是注入光输出功率，fP是锁定QCL的自激输出功率。 在计算中，我们可用参数[23 ]m3，n =3.3687，l =2 mm，124cmc，16cm
m
，cg0。这些参数产生与C1 =3.6862，C2 =1.6862，C3 =0.1929。在一开始，
我们忽视了在非线性装置的三阶交越失真（IMD）这个相位方（15）程是一个非线性方程。我们假设了一种解决相位误差)(t的办法
为了保持IMD的低水平很，我们限制相位调制指数在很小的范围。这样，10因此，在此条件下我们可得
和
为了使达到最小我们取取sin和1cos。现在，使用谐波平衡的原则我们使方程（15）两边t1sin的系数和ticos的系数相同。然后，简化得到的方程并把i消去我们得到 其中iiQA02，0cosabB和2321yCyCCZ。我们正在考虑低级注射。所以1a
b然后B<<1。如果zAi那么BzAi因为B<<1。放大i-th副载波相位调制振幅
)(i作为在图2中所显示并注入相对光波的功率作为参数的载波频率i
的一个函数。
在图中可看出给定的子载波输出相位调制系数随微波副载波频率)(i增加。注入的相对功率越高，它的随之增长就越少。众所周知，半导体激光器应在1.55 m或1.31 m同步到30db的相对注入功率级。所以，我们认为相对注入级要在15db-25db之间。
图2. 放大光波的i-th副载波频率为一个函数的副载波频率时的相位调制振幅。 为了计算放大副载波调制光波的三阶交越失真等级，我们假定相位误差)(为
ijkM是IMD频率ijk下的交越振幅，ijk是恒相角。IMD频率ijk会在)(kji时
有用，在（kji）时没用。我们应该记住，ijk决定i，j和k同样，角ijk可以在)(ikj时用到，在)(kji没价值。 以如上的方式继续，我们可以得出以下方程
那么 kkQA02，ijkijkQA02而且B和z 有相同的表达式如前面所述。这里，我们已采取不
同的相位调制指数i，j，k用来和混合副载波信道i , j和 k加以区别。举一个简单的例子，我们可以使0kji。 比如，我们考虑微波副载波多路复用频率为)2(1，)(1，)(1，)2(1。这里，是信道分隔线。如果我们计算IMD达到频率1；我们注意到和。这些频率能一起IMD达到1。所以4 IMD组件出现在副载波频率1，这从根本上意味着交越相位失真的方形指数是
这里的N 表示IMD在特定的频率的乘积组和产生IMD特定频率的整个IMD组成。经计算，我们可以使副载波频率1=10GHZ，= 10GHZ，同时信道带宽要低于。 从方程（26）中，可以看出IMD组件的相位调制振幅与混频信道的调制指数的乘积成正比。IMD相位调制指数ijkIM的变化可作为在图3中显示并用相对注入光功率级作为参数的输入光相位调制指数（0）的函数。IMD的相位调制指数与输入端PM随着混频信号的PM指数乘积指数增加。注入光功率越大，IMD等级越高。IMD PM指数的变化由图4中所示用IMD频率作为参数用特定信道的输入光PM指数引起。从图4中，可以看到IMD频率越高，IMD的等级越低。
图3. 计算相位调制振幅（ijkIM）的变化可以作为用)(fipp作为参数输入相位调制的指
第21讲激光调制的基本概念
d
=
P
2
1
M
tn
,为载波脉冲前沿相对于
取样时间td的延迟时间
20
21.6 脉冲编码调制（PCM调制）
先把模拟信号变换成电脉冲序列，进而变成代表信号信息的
二进制编码 PCM数字信号，再对光载波进行强度调制。
强度调制形式，这是
因为接收器 探测器
一般都是直接响应其
所接受的光强变化。
16
21.4 激光模拟调制
二次调制
在实际应用中，为了得到较强的抗干扰效果，往往利用二次 调制方式，例如： 先将低频信号对一高频副载波进行频率调制，然后再用这个
已调频波对光载波进行强度调制称为FM / IM调制，使光的
强度按副载波信号的变化而变化。
极子振荡机制，利用介质极化率实部 折射率 的变化，对激光
进行调制。 根据不同的光与物质相互作用类型，可以表现为电场、声场、 磁场等对光的控制作用，相对应为电光调制、声光调制和磁 光调制等等。
23
要实现脉冲编码调制，必须经过抽样、量化和编码三个过程。 1、抽样：通过抽样后，原来的模拟信号变成一脉冲振幅调制信号。
只要抽样频率大于所传递信号最高频率的两倍，就能恢复原 信号波形。 2、量化：用有限个数的代表值取代抽样值的大小，通过这一过程， 原始信号变成数字信号。 3、编码：把量化后的数字信号变换成相应的二进制码的过程。
15
21.4 激光模拟调制
强度调制 光载波的强度与调制信号成正比，即
I t
Ac2 2
1 kpa t cos2
c t c
式中kP为比例系数
设a t Am cos mt
激光调制技术
x(t)
t
激光光波的电场强度是： 激光光波的电场强度是： e c (t ) 其中 Ac − 振幅 ω c − 角频率
φ c − 相位角
= Ac cos(ω c t + φ c )
因激光具有振幅、频率、相位、强度等参量， 因激光具有振幅、频率、相位、强度等参量，如使其中某一 振幅 参量按调制信号的规律变化，则激光受到信号的调制， 参量按调制信号的规律变化，则激光受到信号的调制，达到 运载信息的目的。 运载信息的目的。
第三章 激光调制技术
1.调制的基本概念 1.调制的基本概念
1.1 振幅调制 频率调制和相位调制━━ ━━调频和调相 1.2 频率调制和相位调制━━调频和调相 1.3 强度调制
2. 电光调制
2.1 电光调制的物理基础 2.2 电光强度调制 2.3 电光相位调制
3. 声光调制
1 调制的基本概念 激光是一种频率更高（ 的电磁波， 激光是一种频率更高（1013~1015Hz)的电磁波，它具有很 的电磁波 好相干性，因而像以往电磁波（收音机、电视等） 好相干性，因而像以往电磁波（收音机、电视等）一样可 以用来作为传递信息的载波。 以用来作为传递信息的载波。 由激光“携带”的信息 包括语言 文字、图像、符号等) 包括语言、 由激光“携带”的信息(包括语言、文字、图像、符号等 通过一定的传输通道(大气 光纤等)送到接收器 大气、 送到接收器， 通过一定的传输通道 大气、光纤等 送到接收器，再由光接 收器鉴别并还原成原来的信息。 收器鉴别并还原成原来的信息。 这种将信息加载于激光的过程称之为调制 完成这一过程的装置称为 调制器。其中激光称为载 调制器。其中激光称为载 波；起控制作用的低频信 息称为调制信号 调制信号。 息称为调制信号。 解调：调制的反过程， 解调：调制的反过程，即 把调制信号还原成原来的 信息。 信息。
国内外光通信光源技术新进展
国内外光通信光源技术新进展时间：2006-1-11???? ????来源：张瑞君目前，光通信正在向高速、大容量、宽带、长距、低成本方向迅速发展。
光通信的关键器件——光源已取得很大进展。
不仅第三代高速宽带的应变层量子阱(SL-QW)?激光二极管（LD）、垂直腔面发射激光器（VCSEL?LD）和光纤激光器（FL）已获得重大进展。
一些新型光源，如量子点（QD）LD、量子级联激光器（QCL）、光子晶体激光器（PC?LD）和微碟激光器等也随着光通信应用的需求获得重大进展。
用于光通信的光源前景看好，光源性能不断提高和新型器件不断被开发出来。
我国的光源虽然已取得很大进展，但为实现我国光源技术的跨越式发展，还应加大自主研发的力度，特别要注重关键技术的开发。
要发展我国自己的芯片技术和具有自主知识产权的核心技术，重点是发展高端器件与技术。
国外光源技术新进展量子阱激光器目前，各发达国家研发的大功率、高速、宽频QW?LD在基横模输出功率、转换效率等方面都有所进展。
已实现了60mW(连续)大功率40Gb/s?DFB?LD。
美国斯坦福大学研制成功的1.46μm 波长GaInNAsSb?MQW?LD获得功率＞70mW(脉冲、GaAs衬底)、阈值电流密度2.8kA/cm2；美国威斯康星大学研制的1.3μm波长低氮InGaAsN?QW?LD获得阈值电流密度为75A/cm2；法国CNRS的1.22μm?波长GaInNAs、GaNAs/GaAs应变SQW?LD的阈值电流密度为0.43kA/cm2；Ortel研制的1.55μm?波长InGaAsP/InP?S-MQWSCH?LD功率为108mW、阈值电流为8mA；美普斯顿大学研制的1.3μm波长InGaAs?MQW?LD功率达450mW、阈值电流密度为1.9kA/?cm2。
并实现了新一代高速宽频带光源——无致冷工作的应变层QW?LD。
垂直腔面发射激光器作为光通信中革命性光发射器件的VCSEL的新进展伴随着制作工艺不断进步，其阈值电流密度和工作电压不断降低，并从短波长发展到长波长。
量子阱的应用
3 量子阱器件的应用3 . 1 量子阱红外探测器量子阱红外探测器(QWIP)是20世纪90年代収展起来的高新技术。
与其他红外技术相比,QWIP具有响应速度快、探测率与HgCdTe探测器相近、探测波长可通过量子阱参数加以调节等优点。
而且,利用MBE 和MOCVD等先迚工艺可生长出高品质、大面积和均匀的量子阱材料, 容易做出大面积的探测器阵列。
正因为如此,量子阱光探测器,尤其是红外探测器受到了广泛关注。
QWIP是利用掺杂量子阱的导带中形成的子带间跃迁, 幵将从基态激収到第一激収态的电子通过电场作用形成光电流这一物理过程,实现对红外辐射的探测。
通过调节阱宽、垒宽以及AlGaAs中Al组分含量等参数, 使量子阱子带输运的激収态被设计在阱内(束缚态) 、阱外(连续态)或者在势垒的边缘或者稍低于势垒顶(准束缚态),以便满足不同的探测需要,获得最优化的探测灵敏度。
因此,量子阱结构设计又称为“能带工程”是QWIP最关键的一步。
另外,由于探测器只吸收辐射垂直与阱层面的分量,因此光耦合也是QWIP的重要组成部分。
基于QWIP焦平面阵列研制出的成像系统, 已经被广泛地应用于军事、工业、消防等领域,其小型化、便捷化的特点受到了人们的青睐。
(1)军事方面,QWIP在武器精确制导、战场监视与侦察、搜索和自动跟踪、探测地雷等方面都有广泛的应用。
(2)工业方面,QWIP可要用于各种设备的故障检测和产品的质量检测。
例如高压输电线路故障的检测十分困难, 可以利用量子阱红外探测器阵列制成的红外相机,从直升机上对故障収生的位置迚行准确定位。
产品的无损探伤及质量鉴定可以借助QWIP,这主要是指金属、非金属材料及其加工部件。
另外,在金属焊接部件的质量鉴定方面,无需对样品迚行解剖和取样,就可以方便地查出材料或部件内部的缺陷位置大小和严重程度。
(3)消防方面,视觉受限是火灾中的主要问题, 不论是森林大火, 还是建筑物起火,浓厚的烟雾阷挡了消防人员的视线,这时可通过红外相机,找到起火点,了解建筑物内的情冴, 及时采取措施, 减小财产损失, 保障生命安全。
分布反馈太赫兹量子级联激光器实现高功率单模输出
刘成岳, 陈美霞, 吴斌. EAST 装置垂直不稳定性研究[J ]. 核聚变与等离子体物理, 2009, 29（4）：301-304. （Liu Chengyue, Chen Meixia, Wu Bin. Study onvertical instability of EAST device [J ]. Nuclear Fusion and Plasma Physics, 2009, 29（4）: 301-304）[8]王兆安, 刘进军. 电力子技术[M ]. 5版. 北京: 机械工业出版社, 2009. （Wang Zhaoan, Liu Jinjun. Power sub technology [M ]. 5th ed. Beijing: China MachinePress, 2009）[9]Z hang Yu, Yu Mi, Liu Fangrui, et al. Instantaneous current-sharing control strategy for parallel operation of UPS modules using virtual impedance [J ]. IEEETrans Power Electronics, 2013, 28（1）: 432-440.[10]黄海宏, 傅鹏, 高格, 等. EAST 快控电源逆变器并联分析[J ]. 电力电子技术, 2010, 44（3）：57-59. （Huang Haihong, Fu Peng, Gao Ge, et al. Parallel analysisof EAST fast-control power supply inverter [J ]. Power Electronics Technology, 2010, 44（3）: 57-59）[11]赵璐, 潘圣民, 黄懿赟, 等. EAST 中性束注入高压电源综合保护系统[J ]. 强激光与粒子束, 2017, 29：065010. （Zhao Lu, Pan Shengmin, Huang Yiyun, et al.EAST neutral beam injection high-voltage power supply integrated protection system [J ]. High Power Laser and Particle Beams, 2017, 29: 065010）[12]分布反馈太赫兹量子级联激光器实现高功率单模输出蒋 涛， 湛治强， 杨 奇， 邹蕊矫， 樊 龙， 彭丽萍， 王雪敏， 吴卫东（中国工程物理研究院 激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900）太赫兹量子级联激光器（THz QCL ）是一种基于超晶格或耦合多量子阱中电子共振隧穿和子带间跃迁的单极光源，其辐射频率可通过能带和波函数设计进行调控，具有响应速度高、体积小、便于集成等优点。
激光调制技术
s
b.两种类型
光波平行于声波面(垂直于声场传播方向)入射
光 波 阵 面
衍 射 光
L
图3.2 超声行波在介质中的传播
Laser beam Modulation Technology
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9
3.声光调制
2. 布拉格衍射（选择光的方向与波长） 当超声波频率较高 声光互作用长度L较长 光束与声波波面间以一定的角度斜入射 3. 声光调制应用：
电信号输入
驱动器
根据调制信号的类型，可分为： 连续的模拟调制和不连续的数字（脉冲编码）调制 特点：技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的
频率特性所限制
Laser beam Modulation Technology
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ofLeabharlann 96.总结与展望◆激光是一种理想的用于传递信息（包括 语言、文字、图像、符号等）的光源
总
结
◆将信息加载于激光的过程即为调制
◆在不同的应用环境中，需采用不同的激光调制技术，由此延 伸出了多种激光调制技术
展
未来，激光器将向大功率、大电流、小型化、高集成方向发展 相应的，激光调制技术也应与时俱进，以提供更高精度、更稳定 的激光调制作用！！！
Laser beam Modulation Technology
n n n0
x
vs
a.物理基础
s
图3.1 超声行波在介质中的传播
Laser beam Modulation Technology
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3.声光调制
按照声波频率的高低及声波和光波作用长度的不同，
分为拉曼-奈斯衍射和布拉格衍射 1. 拉曼-奈斯衍射（多级衍射） 当超声波频率较低 声光互作用长度L较短
单模太赫兹量子级联激光器
第13卷 第2期 太赫兹科学与电子信息学报 Vo1.13，No.2 2015年4月 Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology Apr.，2015
文章编号：2095-4980(2015)02-0195-03 单模太赫兹量子级联激光器 刘俊岐，王 涛，刘峰奇 (中国科学院 半导体研究所半导体材料科学重点实验室，北京 100083) 摘 要：为了获得窄线宽太赫兹光源， 制作了基于表面金属光栅的单模太赫兹量子级联激光器。通过优化光栅结构，获得了具有较强耦合效率和较低损耗的光栅结构参数。波导结构采用半绝缘表面等离子体波导以便能获得较高的光输出功率。激光器单模激射波长为95 μm。10 K时，器件最高单模输出功率达到了43 mW，单模抑制比为18 dB。单模器件工作温度超过70 K，在70 K时，仍然有5 mW的单模输出功率。这种输出性能良好的激光器有望作为太赫兹接收机的本振源。 关键词：太赫兹；量子级联激光器；单模；本振源 中图分类号：TN248.4 文献标识码：A doi：10.11805/TKYDA201502.0195
Single-mode terahertz quantum cascade laser LIU Junqi，WANG Tao，LIU Fengqi (Key Laboratory of Semiconductor Materials Science, Institute of Semiconductors，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100083，China)
Abstract：A single-mode terahertz quantum cascade laser with metallic surface gratings is fabricated in order to obtain a terahertz source with narrow line width. Strong coupling efficiency and low waveguide loss are realized. A semi-insulating surface-plasmon waveguide is used to present a high output power. The lasing wavelength of this laser is 95 μm. The highest optical power of 43 mW and Side-Mode Suppression Ratio(SMSR) of 18 dB can be obtained under 10 K. Under the highest operation temperature of 70 K, an output power of 5 mW is still achieved. This kind of laser is the most promising solid-state source as the Local Oscillator(LO) for a high resolution terahertz heterodyne receiver. Key words：terahertz；quantum cascade laser；single-mode；local oscillator
eml激光器调制原理
eml激光器调制原理
EML激光器调制原理
EML激光器是一种新型的半导体激光器，它采用了外差调制技术，可以实现高速、高效的光信号调制。
EML激光器的调制原理是利用外部电场对激光器的折射率进行调制，从而实现光信号的调制。
EML激光器的结构包括激光器芯片、调制器和光耦合器。
其中，激光器芯片是由多个量子阱组成的，每个量子阱都可以发射一个光子。
调制器是由一对电极组成的，通过改变电极之间的电压，可以改变电场的强度和方向，从而改变激光器芯片中的折射率。
光耦合器则用于将激光器芯片中的光耦合到光纤中。
在EML激光器中，当电极之间的电压为零时，激光器芯片中的折射率是一个常数，此时激光器发出的光是一个固定的频率。
当电极之间的电压发生变化时，激光器芯片中的折射率也会发生变化，从而改变激光器发出的光的频率。
这种频率变化可以用来传输数字信号，实现光通信。
EML激光器的调制速度可以达到几十Gbps，比传统的调制技术要快得多。
此外，EML激光器还具有低功耗、高可靠性等优点，因此在光通信领域得到了广泛的应用。
EML激光器是一种高速、高效的光信号调制器，其调制原理是利用外部电场对激光器的折射率进行调制。
随着光通信技术的不断发
展，EML激光器将会在更广泛的领域得到应用。