Najnowszy modulator elektrooptyczny o ultrawysokim współczynniku ekstynkcji

Najnowszemodulator elektrooptyczny o ultrawysokim współczynniku ekstynkcji

Elektrooptyczne modulatory on-chip (na bazie krzemu, trichinoidowe, cienkowarstwowe z niobianu litu itp.) charakteryzują się kompaktowością, dużą szybkością i niskim zużyciem energii, ale wciąż istnieją duże wyzwania w zakresie dynamicznej modulacji intensywności z ultrawysokim współczynnikiem ekstynkcji. Niedawno naukowcy z Centrum Badawczego Czujników Światłowodowych na chińskim uniwersytecie dokonali przełomu w dziedzinie elektrooptycznych modulatorów o ultrawysokim współczynniku ekstynkcji na podłożach krzemowych. Oparte na strukturze filtra optycznego wyższego rzędu, krzemowe modulatory on-chipmodulator elektrooptycznyPo raz pierwszy zrealizowano rozwiązanie o współczynniku tłumienia do 68 dB. Rozmiar i pobór mocy są o dwa rzędy wielkości mniejsze niż w przypadku tradycyjnych rozwiązań.Modulator AOM, a wykonalność zastosowania urządzenia jest weryfikowana w laboratoryjnym systemie DAS.

Rysunek 1 Schematyczny diagram urządzenia testowego dla ultramodulator elektrooptyczny o wysokim współczynniku ekstynkcji

Na bazie krzemumodulator elektrooptycznyStruktura filtra oparta na sprzężonych mikropierścieniach jest podobna do klasycznego filtra elektrycznego. Modulator elektrooptyczny osiąga płaską filtrację pasmową i wysoki współczynnik tłumienia poza pasmem (>60 dB) poprzez szeregowe sprzężenie czterech krzemowych rezonatorów mikropierścieniowych. Za pomocą elektrooptycznego przesuwnika fazy typu Pin w każdym mikropierścieniu, widmo transmisji modulatora można znacząco zmienić przy niskim przyłożonym napięciu (<1,5 V). Wysoki współczynnik tłumienia poza pasmem w połączeniu ze stromą charakterystyką obniżania filtru umożliwia modulację natężenia światła wejściowego w pobliżu długości fali rezonansowej z bardzo dużym kontrastem, co bardzo sprzyja generowaniu impulsów świetlnych o ultrawysokim współczynniku ekstynkcji.

Aby zweryfikować zdolność modulacyjną modulatora elektrooptycznego, zespół najpierw zademonstrował zmianę transmitancji urządzenia pod wpływem napięcia stałego przy roboczej długości fali. Można zauważyć, że po 1 V transmitancja gwałtownie spada o ponad 60 dB. Ze względu na ograniczenia konwencjonalnych metod obserwacji oscyloskopowej, zespół badawczy przyjął metodę pomiaru interferencji samoheterodynowej i wykorzystał szeroki zakres dynamiki spektrometru do scharakteryzowania ultrawysokiego współczynnika ekstynkcji dynamicznej modulatora podczas modulacji impulsowej. Wyniki eksperymentalne pokazują, że wyjściowy impuls świetlny modulatora ma współczynnik ekstynkcji do 68 dB, a współczynnik ekstynkcji przekracza 65 dB w pobliżu kilku rezonansowych pozycji długości fali. Po szczegółowych obliczeniach, rzeczywiste napięcie sterujące RF obciążające elektrodę wynosi około 1 V, a pobór mocy modulacji wynosi zaledwie 3,6 mW, co jest wartością o dwa rzędy wielkości mniejszą niż pobór mocy konwencjonalnego modulatora AOM.

Zastosowanie krzemowego modulatora elektrooptycznego w systemie DAS można zastosować w systemie DAS z bezpośrednią detekcją poprzez umieszczenie modulatora na chipie. W odróżnieniu od ogólnej heterodynowej interferometrii sygnału lokalnego, w tym systemie zastosowano tryb demodulacji niezbalansowanej interferometrii Michelsona, dzięki czemu nie jest wymagany efekt przesunięcia częstotliwości optycznej modulatora. Zmiany fazy spowodowane sinusoidalnymi sygnałami drgań są skutecznie przywracane poprzez demodulację sygnałów rozproszonych Rayleigha z 3 kanałów przy użyciu konwencjonalnego algorytmu demodulacji IQ. Wyniki pokazują, że SNR wynosi około 56 dB. Rozkład gęstości widmowej mocy na całej długości włókna czujnika w zakresie częstotliwości sygnału ±100 Hz jest dalej badany. Oprócz wyraźnego sygnału w miejscu i częstotliwości drgań, zaobserwowano pewne odpowiedzi gęstości widmowej mocy w innych lokalizacjach przestrzennych. Szum przesłuchu w zakresie ±10 Hz i poza miejscem drgań jest uśredniany na całej długości włókna, a średni współczynnik SNR w przestrzeni nie jest mniejszy niż 33 dB.

Rysunek 2

Schematyczny diagram rozproszonego systemu czujników akustycznych wykorzystującego światłowody.

b Gęstość widmowa mocy sygnału demodulowanego.

c, d – częstotliwości drgań zbliżone do rozkładu gęstości widmowej mocy wzdłuż włókna czujnikowego.

W tym badaniu po raz pierwszy udało się uzyskać modulator elektrooptyczny na krzemie o ultrawysokim współczynniku ekstynkcji (68 dB), który został z powodzeniem zastosowany w systemach DAS. Efekt zastosowania komercyjnego modulatora AOM jest bardzo zbliżony, a jego rozmiar i pobór mocy są o dwa rzędy wielkości mniejsze niż w przypadku tego ostatniego, co ma odegrać kluczową rolę w kolejnej generacji zminiaturyzowanych, niskonapięciowych, rozproszonych systemów czujników światłowodowych. Ponadto, proces produkcji CMOS na dużą skalę i możliwość integracji na chipie układów scalonych opartych na krzemieurządzenia optoelektronicznemoże w znacznym stopniu przyczynić się do rozwoju nowej generacji niedrogich, wielourządzeniowych, monolitycznych modułów zintegrowanych opartych na rozproszonych systemach czujników światłowodowych na chipie.