Последнийэлектрооптический модулятор со сверхвысоким коэффициентом ослабления
Встроенные в кристалл электрооптические модуляторы (на основе кремния, трихиноидные, тонкопленочные ниобаты лития и др.) обладают преимуществами компактности, высокой скорости и низкого энергопотребления, но по-прежнему существуют серьезные проблемы с достижением динамической модуляции интенсивности со сверхвысоким коэффициентом подавления. Недавно исследователи из объединенного научно-исследовательского центра волоконно-оптических датчиков одного из китайских университетов совершили крупный прорыв в области электрооптических модуляторов со сверхвысоким коэффициентом подавления на кремниевых подложках. На основе структуры оптического фильтра высокого порядка, встроенные в кристалл кремниевые модуляторыэлектрооптический модуляторВпервые достигнуто подавление шума с коэффициентом ослабления до 68 дБ. Размеры и энергопотребление на два порядка меньше, чем у традиционных аналогов.АОМ-модулятор, а практическая применимость устройства подтверждена в лабораторной системе DAS.
Рисунок 1. Схема испытательного устройства для ультразвука.электрооптический модулятор с высоким коэффициентом ослабления
на основе кремнияэлектрооптический модуляторЭлектрооптический модулятор, основанный на структуре связанных микрокольцевых фильтров, аналогичен классическому электрическому фильтру. Он обеспечивает плоскую полосовую фильтрацию и высокое внеполосное подавление (>60 дБ) за счет последовательного соединения четырех кремниевых микрокольцевых резонаторов. С помощью электрооптического фазовращателя типа Pin в каждом микрокольце спектр пропускания модулятора может быть значительно изменен при низком приложенном напряжении (<1,5 В). Высокое внеполосное подавление в сочетании с крутым спадом фильтра позволяет модулировать интенсивность входного света вблизи резонансной длины волны с очень большим контрастом, что очень способствует созданию световых импульсов со сверхвысоким коэффициентом подавления.
Для проверки модуляционных возможностей электрооптического модулятора группа исследователей сначала продемонстрировала изменение коэффициента пропускания устройства в зависимости от постоянного напряжения на рабочей длине волны. Видно, что после 1 В коэффициент пропускания резко падает, превышая 60 дБ. Из-за ограничений традиционных методов наблюдения с помощью осциллографа, исследовательская группа применила метод измерения самогетеродинной интерференции и использовала большой динамический диапазон спектрометра для характеристики сверхвысокого динамического коэффициента подавления модулятора во время импульсной модуляции. Экспериментальные результаты показывают, что выходной световой импульс модулятора имеет коэффициент подавления до 68 дБ, а вблизи нескольких резонансных длин волн коэффициент подавления превышает 65 дБ. После детальных расчетов фактическое напряжение ВЧ-управления, подаваемое на электрод, составляет около 1 В, а потребляемая мощность модуляции составляет всего 3,6 мВт, что на два порядка меньше, чем потребляемая мощность обычного модулятора на основе акустооптического модулятора (АОМ).
Применение кремниевого электрооптического модулятора в системе DAS может быть реализовано в системе прямого детектирования DAS путем размещения модулятора на кристалле. В отличие от обычной гетеродинной интерферометрии локальных сигналов, в этой системе используется режим демодуляции несбалансированной интерферометрии Майкельсона, поэтому эффект оптического сдвига частоты модулятора не требуется. Фазовые изменения, вызванные синусоидальными вибрационными сигналами, успешно восстанавливаются путем демодуляции сигналов рэлеевского рассеяния 3 каналов с использованием обычного алгоритма IQ-демодуляции. Результаты показывают, что отношение сигнал/шум составляет около 56 дБ. Дополнительно исследовано распределение спектральной плотности мощности по всей длине сенсорного волокна в диапазоне частот сигнала ±100 Гц. Помимо выраженного сигнала в точке и на частоте вибрации, наблюдаются определенные изменения спектральной плотности мощности в других пространственных точках. Перекрестные помехи в диапазоне ±10 Гц и вне зоны вибрации усредняются по длине волокна, а среднее отношение сигнал/шум в пространстве составляет не менее 33 дБ.
Рисунок 2
a) Схема распределенной акустической системы обнаружения на основе оптического волокна.
b) Спектральная плотность мощности демодулированного сигнала.
c, d частоты колебаний вблизи распределения спектральной плотности мощности вдоль чувствительного волокна.
В данном исследовании впервые достигнуто создание электрооптического модулятора на кремниевой подложке со сверхвысоким коэффициентом подавления (68 дБ), успешно примененного в системах распределенного оптического зондирования (DAS). Эффект от использования коммерческого модулятора на основе акустооптического модулятора (AOM) очень близок, а его размеры и энергопотребление на два порядка меньше, что, как ожидается, сыграет ключевую роль в следующем поколении миниатюрных, маломощных распределенных волоконно-оптических сенсорных систем. Кроме того, в исследовании использованы возможности крупномасштабного производства CMOS-технологий и интеграции на кристалле на основе кремния.оптоэлектронные устройстваЭто может значительно способствовать развитию нового поколения недорогих многокомпонентных монолитных интегрированных модулей на основе распределенных волоконно-оптических сенсорных систем на кристалле.
Дата публикации: 18 марта 2025 г.