Najnovejšeelektrooptični modulator z ultra visokim razmerjem ekstinkcije
Elektrooptični modulatorji na čipu (na osnovi silicija, trikinoidni, tankoplastni litijev niobat itd.) imajo prednosti kompaktnosti, visoke hitrosti in nizke porabe energije, vendar še vedno obstajajo veliki izzivi pri doseganju dinamične modulacije intenzivnosti z ultra visokim ekstinkcijskim razmerjem. Nedavno so raziskovalci v skupnem raziskovalnem centru za zaznavanje optičnih vlaken na kitajski univerzi dosegli pomemben preboj na področju elektrooptičnih modulatorjev z ultra visokim ekstinkcijskim razmerjem na silicijevih substratih. Na osnovi strukture optičnega filtra višjega reda je silicijev modulator na čipuelektrooptični modulatorz razmerjem izumiranja do 68 dB je dosežen prvič. Velikost in poraba energije sta za dva velikostna reda manjši od tradicionalnihAOM modulator, izvedljivost uporabe naprave pa je preverjena v laboratorijskem sistemu DAS.
Slika 1 Shematski diagram preskusne naprave za ultrazvokelektrooptični modulator z visokim ekstinkcijskim razmerjem
Na osnovi silicijaelektrooptični modulatorNa podlagi sklopljene strukture mikroobročnega filtra je podobna klasičnemu električnemu filtru. Elektrooptični modulator dosega ravno pasovno filtriranje in visoko stopnjo zavrnitve izven pasu (> 60 dB) s serijsko povezavo štirih silicijevih mikroobročnih resonatorjev. S pomočjo elektrooptičnega faznega premikalnika tipa Pin v vsakem mikroobroču je mogoče znatno spremeniti spekter prepustnosti modulatorja pri nizki uporabljeni napetosti (< 1,5 V). Visoko stopnjo zavrnitve izven pasu v kombinaciji s strmo karakteristiko zniževanja filtra omogoča modulacijo intenzivnosti vhodne svetlobe blizu resonančne valovne dolžine z zelo velikim kontrastom, kar je zelo ugodno za nastanek svetlobnih impulzov z ultra visokim stopnjo ekstinkcije.
Da bi preverili modulacijsko sposobnost elektrooptičnega modulatorja, je ekipa najprej prikazala spremembo prepustnosti naprave z enosmerno napetostjo pri delovni valovni dolžini. Vidimo lahko, da po 1 V prepustnost močno pade nad 60 dB. Zaradi omejitev običajnih metod opazovanja z osciloskopom je raziskovalna skupina uporabila metodo merjenja interference s samoheterodinom in uporabila veliko dinamično območje spektrometra za karakterizacijo ultra visokega dinamičnega razmerja ekstinkcije modulatorja med pulzno modulacijo. Eksperimentalni rezultati kažejo, da ima izhodni svetlobni impulz modulatorja razmerje ekstinkcije do 68 dB in razmerje ekstinkcije več kot 65 dB v bližini več resonančnih položajev valovnih dolžin. Po podrobnem izračunu je dejanska RF pogonska napetost, ki je naložena na elektrodo, približno 1 V, poraba modulacijske moči pa le 3,6 mW, kar je za dva velikostna reda manj kot poraba energije običajnega AOM modulatorja.
Uporaba elektrooptičnega modulatorja na osnovi silicija v sistemu DAS se lahko uporabi tudi v sistemu DAS z neposrednim zaznavanjem z vgradnjo modulatorja na čip. Za razliko od splošne heterodinske interferometrije z lokalnim signalom je v tem sistemu uporabljen način demodulacije neuravnotežene Michelsonove interferometrije, tako da učinek optičnega frekvenčnega premika modulatorja ni potreben. Fazne spremembe, ki jih povzročajo sinusoidni vibracijski signali, so bile uspešno obnovljene z demodulacijo Rayleighovih razpršenih signalov treh kanalov z uporabo običajnega algoritma IQ demodulacije. Rezultati kažejo, da je SNR približno 56 dB. Nadalje je bila raziskana porazdelitev spektralne gostote moči vzdolž celotne dolžine senzorskega vlakna v območju frekvence signala ±100 Hz. Poleg izrazitega signala na položaju in frekvenci vibracij je bilo opaženo, da obstajajo določeni odzivi spektralne gostote moči na drugih prostorskih lokacijah. Šum presluha v območju ±10 Hz in zunaj položaja vibracij je povprečen vzdolž dolžine vlakna, povprečno SNR v prostoru pa ni manjše od 33 dB.
Slika 2
Shematski diagram porazdeljenega akustičnega zaznavalnega sistema z optičnimi vlakni.
b Spektralna gostota moči demoduliranega signala.
c, d vibracijske frekvence blizu porazdelitve gostote spektralne moči vzdolž zaznavnega vlakna.
Ta študija je prva, ki je dosegla elektrooptični modulator na siliciju z ultra visokim razmerjem ekstinkcije (68 dB) in ga uspešno uporabila v sistemih DAS, učinek uporabe komercialnega AOM modulatorja pa je zelo podoben, velikost in poraba energije pa sta za dva velikostna reda manjši od slednjega, kar naj bi igralo ključno vlogo v naslednji generaciji miniaturiziranih, nizkoenergijskih porazdeljenih optičnih senzorskih sistemov. Poleg tega sta postopek izdelave CMOS v velikem obsegu in zmožnost integracije na čipu silicijevih...optoelektronske napravelahko močno spodbudi razvoj nove generacije nizkocenovnih, večnamenskih monolitnih integriranih modulov, ki temeljijo na porazdeljenih optičnih senzorskih sistemih na čipu.
Čas objave: 18. marec 2025