Последниеэлектрооптический модулятор со сверхвысоким коэффициентом затухания
Электрооптические модуляторы на кристалле (на основе кремния, триквиноида, тонкопленочного ниобата лития и т.д.) обладают такими преимуществами, как компактность, высокая скорость и низкое энергопотребление, однако всё ещё существуют серьёзные проблемы в достижении динамической модуляции интенсивности со сверхвысоким коэффициентом затухания. Недавно исследователи из совместного исследовательского центра волоконно-оптических датчиков при китайском университете совершили значительный прорыв в области электрооптических модуляторов на кремниевых подложках со сверхвысоким коэффициентом затухания. Основанные на структуре оптического фильтра высокого порядка, кремниевые модуляторы на кристаллеэлектрооптический модуляторВпервые реализовано с коэффициентом затухания до 68 дБ. Габариты и энергопотребление на два порядка меньше, чем у традиционныхАОМ-модулятор, а возможность применения устройства проверена в лабораторной системе DAS.
Рисунок 1. Принципиальная схема испытательного устройства для ультраэлектрооптический модулятор с высоким коэффициентом затухания
На основе кремнияэлектрооптический модуляторФильтр, основанный на структуре связанных микроколец, аналогичен классическому электрическому фильтру. Электрооптический модулятор обеспечивает плоскую полосу пропускания и высокий коэффициент подавления внеполосных излучений (более 60 дБ) благодаря последовательному соединению четырёх кремниевых микрокольцевых резонаторов. С помощью электрооптического фазовращателя штыревого типа в каждом микрокольце спектр пропускания модулятора может быть значительно изменен при низком приложенном напряжении (<1,5 В). Высокий коэффициент подавления внеполосных излучений в сочетании с крутой характеристикой спада фильтра позволяет модулировать интенсивность входного света вблизи резонансной длины волны с очень высоким контрастом, что весьма способствует формированию световых импульсов со сверхвысоким коэффициентом ослабления.
Чтобы проверить модуляционную способность электрооптического модулятора, группа сначала продемонстрировала изменение коэффициента пропускания устройства в зависимости от постоянного напряжения на рабочей длине волны. Видно, что после 1 В коэффициент пропускания резко падает более чем на 60 дБ. Из-за ограничений традиционных методов наблюдения с помощью осциллографа, исследовательская группа приняла метод измерения самогетеродинной интерференции и использовала большой динамический диапазон спектрометра для характеристики сверхвысокого динамического коэффициента затухания модулятора во время импульсной модуляции. Экспериментальные результаты показывают, что выходной световой импульс модулятора имеет коэффициент затухания до 68 дБ и коэффициент затухания более 65 дБ вблизи нескольких положений резонансной длины волны. После детального расчета фактическое напряжение возбуждения ВЧ, подаваемое на электрод, составляет около 1 В, а потребляемая мощность модуляции составляет всего 3,6 мВт, что на два порядка меньше потребляемой мощности обычного модулятора AOM.
Применение электрооптического модулятора на основе кремния в системе DAS может быть применено к системе DAS прямого обнаружения путем упаковки модулятора на кристалле. В отличие от общей гетеродинной интерферометрии с локальным сигналом, в этой системе принят режим демодуляции несбалансированной интерферометрии Майкельсона, так что эффект сдвига оптической частоты модулятора не требуется. Изменения фазы, вызванные синусоидальными сигналами вибрации, успешно восстанавливаются путем демодуляции сигналов релеевского рассеяния 3 каналов с использованием обычного алгоритма демодуляции IQ. Результаты показывают, что отношение сигнал/шум составляет около 56 дБ. Далее исследуется распределение спектральной плотности мощности по всей длине сенсорного волокна в диапазоне частот сигнала ±100 Гц. Помимо выраженного сигнала в позиции и частоте вибрации, наблюдается наличие определенных откликов спектральной плотности мощности в других пространственных положениях. Перекрестный шум в диапазоне ±10 Гц и вне позиции вибрации усредняется по длине волокна, а среднее отношение сигнал/шум в пространстве составляет не менее 33 дБ.
Рисунок 2
Принципиальная схема оптоволоконной распределенной акустической сенсорной системы.
б Спектральная плотность мощности демодулированного сигнала.
c, d частоты колебаний вблизи распределения спектральной плотности мощности вдоль чувствительного волокна.
В этом исследовании впервые был получен электрооптический модулятор на кремнии со сверхвысоким коэффициентом затухания (68 дБ), успешно примененный в системах DAS. Эффект от использования коммерческого модулятора AOM очень близок к эффекту от использования последнего, 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, крупномасштабный производственный процесс КМОП и возможность интеграции на кристалле кремниевыхоптоэлектронные приборыможет значительно способствовать разработке нового поколения недорогих многофункциональных монолитных интегрированных модулей на основе распределенных волоконно-оптических сенсорных систем на кристалле.
Время публикации: 18 марта 2025 г.