De nieuwste elektro-optische modulator met ultrahoge extinctieverhouding

Het laatsteelektro-optische modulator met ultrahoge extinctieverhouding

Elektro-optische modulatoren op een chip (op basis van silicium, triquinoïde, dunnefilm lithiumniobaat, enz.) hebben als voordelen compactheid, hoge snelheid en een laag energieverbruik, maar het realiseren van dynamische intensiteitsmodulatie met een ultrahoge extinctieverhouding blijft een grote uitdaging. Recent hebben onderzoekers van een gezamenlijk onderzoekscentrum voor glasvezelsensoren aan een Chinese universiteit een belangrijke doorbraak bereikt op het gebied van elektro-optische modulatoren met een ultrahoge extinctieverhouding op siliciumsubstraten. Gebaseerd op een optische filterstructuur van hogere orde, is de on-chip siliciummodulator ontwikkeld.elektro-optische modulatorVoor het eerst wordt een extinctieverhouding van maar liefst 68 dB gerealiseerd. De afmetingen en het stroomverbruik zijn twee ordes van grootte kleiner dan die van traditionele systemen.AOM-modulatorEn de toepasbaarheid van het apparaat wordt geverifieerd in het DAS-systeem in het laboratorium.

Figuur 1 Schematisch diagram van het testapparaat voor ultraelektro-optische modulator met hoge extinctieverhouding

De op silicium gebaseerdeelektro-optische modulatorDe elektro-optische modulator, gebaseerd op de gekoppelde microringfilterstructuur, is vergelijkbaar met een klassiek elektrisch filter. Door de seriekoppeling van vier op silicium gebaseerde microringresonatoren bereikt de modulator een vlakke banddoorlaatfiltering en een hoge onderdrukking buiten de band (>60 dB). Met behulp van een Pin-type elektro-optische faseschuiver in elke microring kan het transmissiespectrum van de modulator aanzienlijk worden gewijzigd bij een lage aangelegde spanning (<1,5 V). De hoge onderdrukking buiten de band, gecombineerd met de steile filterafname, maakt het mogelijk om de intensiteit van het ingangslicht nabij de resonantiegolflengte te moduleren met een zeer groot contrast, wat zeer gunstig is voor de productie van lichtpulsen met een ultrahoge extinctieverhouding.

Om de modulatiemogelijkheden van de elektro-optische modulator te verifiëren, demonstreerde het team eerst de variatie van de transmissie van het apparaat met de gelijkspanning bij de werkingsgolflengte. Het is te zien dat de transmissie na 1 V scherp daalt tot meer dan 60 dB. Vanwege de beperkingen van conventionele oscilloscoopmetingen, gebruikte het onderzoeksteam de zelfheterodyne-interferentiemeting en de spectrometer met een groot dynamisch bereik om de ultrahoge dynamische extinctieverhouding van de modulator tijdens pulsmodulatie te karakteriseren. De experimentele resultaten tonen aan dat de uitgaande lichtpuls van de modulator een extinctieverhouding heeft van maximaal 68 dB, en een extinctieverhouding van meer dan 65 dB in de buurt van verschillende resonantiegolflengtes. Na gedetailleerde berekeningen bleek de werkelijke RF-stuurspanning op de elektrode ongeveer 1 V te zijn en het modulatievermogen slechts 3,6 mW, wat twee ordes van grootte kleiner is dan het vermogen van een conventionele AOM-modulator.

De toepassing van een op silicium gebaseerde elektro-optische modulator in een DAS-systeem kan worden gerealiseerd door de modulator op de chip te integreren. In tegenstelling tot de gebruikelijke lokale-signaal heterodyne-interferometrie, wordt in dit systeem de demodulatiemodus van niet-gebalanceerde Michelson-interferometrie gebruikt, waardoor het optische frequentieverschuivingseffect van de modulator niet nodig is. De faseveranderingen veroorzaakt door sinusvormige trillingssignalen worden succesvol hersteld door demodulatie van Rayleigh-verstrooide signalen van 3 kanalen met behulp van een conventioneel IQ-demodulatiealgoritme. De resultaten tonen een signaal-ruisverhouding (SNR) van ongeveer 56 dB. De verdeling van de vermogensspectrale dichtheid over de gehele lengte van de sensorvezel in het signaalfrequentiebereik van ±100 Hz wordt verder onderzocht. Naast het prominente signaal op de trillingspositie en -frequentie, wordt waargenomen dat er ook bepaalde vermogensspectrale dichtheidsresponsen zijn op andere ruimtelijke locaties. De overspraakruis in het bereik van ±10 Hz en buiten de trillingspositie wordt gemiddeld over de lengte van de vezel, en de gemiddelde SNR in de ruimte is niet minder dan 33 dB.

Figuur 2

Een schematisch diagram van een gedistribueerd akoestisch sensorsysteem met optische vezels.

b. Spectrale vermogensdichtheid van het gedemoduleerde signaal.

c, d trillingsfrequenties in de buurt van de vermogensspectrale dichtheidsverdeling langs de sensorvezel.

Deze studie is de eerste die een elektro-optische modulator op silicium realiseert met een ultrahoge extinctieverhouding (68 dB) en deze met succes toepast in DAS-systemen. Het effect is vergelijkbaar met dat van een commerciële AOM-modulator, maar de afmetingen en het stroomverbruik zijn twee ordes van grootte kleiner. Dit zal naar verwachting een sleutelrol spelen in de volgende generatie geminiaturiseerde, energiezuinige gedistribueerde glasvezelsensorsystemen. Bovendien maken het grootschalige CMOS-productieproces en de on-chip integratiemogelijkheden van silicium deze studie zeer aantrekkelijk.opto-elektronische apparatenDit kan de ontwikkeling van een nieuwe generatie goedkope, monolithische geïntegreerde modules met meerdere apparaten, gebaseerd op gedistribueerde glasvezelsensorsystemen op de chip, aanzienlijk bevorderen.