Najnowszy elektrooptyczny modulator o bardzo wysokim współczynniku ekstynkcji

Najnowszemodulator elektrooptyczny o bardzo wysokim współczynniku ekstynkcji

Elektrooptyczne modulatory na chipie (na bazie krzemu, triquinoidowe, cienkowarstwowe niobiany litu itp.) mają zalety zwartości, dużej prędkości i niskiego zużycia energii, ale nadal istnieją duże wyzwania w zakresie dynamicznej modulacji intensywności przy ultrawysokim współczynniku wygaszania. Niedawno naukowcy ze wspólnego Centrum Badawczego ds. Wykrywania Włókien Światłowodowych na chińskim uniwersytecie dokonali przełomu w dziedzinie elektrooptycznych modulatorów o ultrawysokim współczynniku wygaszania na podłożach krzemowych. Oparty na strukturze filtra optycznego wyższego rzędu, krzemowy na chipiemodulator elektrooptycznyze współczynnikiem wygaszania do 68 dB zrealizowano po raz pierwszy. Rozmiar i pobór mocy są o dwa rzędy wielkości mniejsze niż w przypadku tradycyjnychModulator AOM, a wykonalność zastosowania urządzenia jest weryfikowana w laboratoryjnym systemie DAS.

Rysunek 1 Schematyczny diagram urządzenia testowego do ultramodulator elektrooptyczny o wysokim współczynniku wygaszania

Na bazie krzemumodulator elektrooptycznyoparta na sprzężonej strukturze filtra mikropierścieniowego jest podobna do klasycznego filtra elektrycznego. Modulator elektrooptyczny osiąga płaskie filtrowanie pasmowe i wysoki współczynnik tłumienia poza pasmem (>60 dB) poprzez szeregowe sprzężenie czterech rezonatorów mikropierścieniowych na bazie krzemu. Za pomocą elektrooptycznego przesuwnika fazowego 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 wygaszania filtra umożliwia modulację intensywności światła wejściowego w pobliżu długości fali rezonansowej z bardzo dużym kontrastem, co bardzo sprzyja wytwarzaniu impulsów świetlnych o ultrawysokim współczynniku tłumienia.

Aby zweryfikować zdolność modulacji modulatora elektrooptycznego, zespół najpierw zademonstrował zmianę transmitancji urządzenia przy napięciu stałym przy roboczej długości fali. Można zauważyć, że po 1 V transmitancja gwałtownie spada o ponad 60 dB. Ze względu na ograniczenia konwencjonalnych metod obserwacji oscyloskopu, zespół badawczy przyjął metodę pomiaru interferencji samoheterodynowej i wykorzystuje duży zakres dynamiki spektrometru do scharakteryzowania ultrawysokiego współczynnika wygaszenia dynamicznego modulatora podczas modulacji impulsowej. Wyniki eksperymentów pokazują, że wyjściowy impuls świetlny modulatora ma współczynnik wygaszenia do 68 dB, a współczynnik wygaszenia przekracza 65 dB w pobliżu kilku pozycji rezonansowych długości fali. Po szczegółowych obliczeniach rzeczywiste napięcie sterujące RF ładowane do elektrody wynosi około 1 V, a pobór mocy modulacji wynosi zaledwie 3,6 mW, co jest o dwa rzędy wielkości mniejsze 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 lokalnej heterodynowej interferometrii sygnału, w tym systemie przyjęto tryb demodulacji niezbalansowanej interferometrii Michelsona, dzięki czemu nie jest wymagany efekt przesunięcia częstotliwości optycznej modulatora. Zmiany fazy spowodowane sinusoidalnymi sygnałami drgań są pomyślnie przywracane przez demodulację rozproszonych sygnałów Rayleigha 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 widocznego sygnału w pozycji i częstotliwości drgań, zaobserwowano, że istnieją 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.

To badanie jest pierwszym, w którym osiągnięto modulator elektrooptyczny na krzemie z ultrawysokim współczynnikiem wygaszenia (68 dB) i który został pomyślnie zastosowany w systemach DAS, a efekt zastosowania komercyjnego modulatora AOM jest bardzo zbliżony, a rozmiar i pobór mocy są o dwa rzędy wielkości mniejsze niż w przypadku tego ostatniego, co prawdopodobnie odegra kluczową rolę w następnej generacji zminiaturyzowanych, niskonapięciowych rozproszonych systemów wykrywania światłowodowego. Ponadto proces produkcji CMOS na dużą skalę i możliwość integracji na chipie opartych na krzemieurządzenia optoelektronicznemoże w znacznym stopniu przyczynić się do rozwoju nowej generacji niedrogich, wielourządzeniowych, monolitycznych modułów zintegrowanych opartych na rozproszonych systemach czujników światłowodowych.