Новейший электрооптический модулятор со сверхвысоким коэффициентом затухания

Последняяэлектрооптический модулятор со сверхвысоким коэффициентом затухания

Электрооптические модуляторы на кристалле (на основе кремния, трихиноидные, тонкопленочные на основе ниобата лития и т. д.) обладают преимуществами компактности, высокой скорости и низкого энергопотребления, но все еще существуют большие проблемы для достижения динамической модуляции интенсивности со сверхвысоким коэффициентом затухания. Недавно исследователи из совместного исследовательского центра волоконно-оптического зондирования в китайском университете совершили крупный прорыв в области электрооптических модуляторов со сверхвысоким коэффициентом затухания на кремниевых подложках. Основанный на структуре оптического фильтра высокого порядка, кремниевыйэлектрооптический модуляторс коэффициентом затухания до 68 дБ реализовано впервые. Размеры и потребляемая мощность на два порядка меньше, чем у традиционныхАОМ модулятор, а возможность применения устройства проверяется в лабораторной системе DAS.

Рисунок 1. Принципиальная схема испытательного устройства для ультраэлектрооптический модулятор с высоким коэффициентом затухания

На основе кремнияэлектрооптический модулятороснованный на связанной микрокольцевой структуре фильтра, похож на классический электрический фильтр. Электрооптический модулятор достигает плоской полосовой фильтрации и высокого коэффициента подавления вне полосы (>60 дБ) за счет последовательного соединения четырех 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 вне полосы в сочетании с крутой характеристикой спада фильтра позволяет модулировать интенсивность входного света вблизи резонансной длины волны с очень большим контрастом, что очень способствует получению световых импульсов со сверхвысоким коэффициентом подавления.

Чтобы проверить возможности модуляции электрооптического модулятора, команда сначала продемонстрировала изменение коэффициента пропускания устройства с постоянным напряжением на рабочей длине волны. Видно, что после 1 В коэффициент пропускания резко падает более чем на 60 дБ. Из-за ограничений обычных методов наблюдения осциллографа исследовательская группа использует метод измерения самогетеродинной интерференции и использует 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, загруженное 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. Фазовые изменения, вызванные синусоидальными сигналами вибрации, успешно восстанавливаются путем демодуляции сигналов рассеяния Рэлея 3 каналов с использованием обычного алгоритма демодуляции IQ. Результаты показывают, что SNR составляет около 56 дБ. Далее исследуется распределение спектральной плотности мощности по всей длине сенсорного волокна в диапазоне частот сигнала ±100 Гц. Помимо заметного сигнала в положении вибрации и частоте, наблюдается наличие определенных откликов спектральной плотности мощности в других пространственных положениях. Перекрестный шум в диапазоне ±10 Гц и вне положения 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.

Это исследование является первым, в котором был получен электрооптический модулятор на кремнии со сверхвысоким коэффициентом затухания (68 дБ), и успешно применен в системах DAS, а эффект использования коммерческого модулятора AOM очень близок, а размер и энергопотребление на два порядка меньше, чем у последнего, что, как ожидается, сыграет ключевую роль в следующем поколении миниатюрных, маломощных распределенных волоконно-оптических сенсорных систем. Кроме того, крупномасштабный производственный процесс CMOS и возможность интеграции на кристалле на основе кремнияоптоэлектронные приборыможет значительно способствовать разработке нового поколения недорогих многофункциональных монолитных интегрированных модулей на основе распределенных волоконно-оптических сенсорных систем на кристалле.