De nieuwste elektro-optische modulator met ultrahoge extinctieverhouding

De laatsteelektro-optische modulator met ultrahoge extinctieverhouding

Elektro-optische modulatoren op een chip (op siliciumbasis, triquinoïde, dunnefilmlithiumniobaat, enz.) bieden voordelen zoals compactheid, hoge snelheid en een laag stroomverbruik, maar er zijn nog steeds grote uitdagingen bij het bereiken van dynamische intensiteitsmodulatie met een ultrahoge extinctieverhouding. Onlangs hebben onderzoekers van een gezamenlijk onderzoekscentrum voor glasvezeldetectie aan een Chinese universiteit een belangrijke doorbraak bereikt op het gebied van elektro-optische modulatoren met een ultrahoge extinctieverhouding op siliciumsubstraten. Gebaseerd op de optische filterstructuur van hoge orde, de on-chip siliciumelektro-optische modulatorMet een uitdovingsfactor tot 68 dB wordt voor het eerst gerealiseerd. De afmetingen en het stroomverbruik zijn twee ordes van grootte kleiner dan die van traditioneleAOM-modulatoren de toepasbaarheid van het apparaat wordt geverifieerd in het DAS-systeem van het laboratorium.

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

De op silicium gebaseerdeelektro-optische modulatorDe structuur van het gekoppelde microringfilter is vergelijkbaar met die van een klassiek elektrisch filter. De elektro-optische modulator bereikt een vlakke banddoorlaatfiltering en een hoge out-of-band-rejectieverhouding (> 60 dB) door de seriekoppeling van vier silicium-gebaseerde microringresonatoren. Met behulp van een pin-type elektro-optische faseverschuiving in elke microring kan het transmissiespectrum van de modulator aanzienlijk worden gewijzigd bij een lage aangelegde spanning (< 1,5 V). De hoge out-of-band-rejectieverhouding, gecombineerd met de steile roll-down-karakteristiek van het filter, maakt het mogelijk om de intensiteit van het ingangslicht nabij de resonantiegolflengte te moduleren met een zeer hoog contrast, wat zeer bevorderlijk is voor de productie van lichtpulsen met een ultrahoge extinctieverhouding.

Om het modulatievermogen van de elektro-optische modulator te verifiëren, demonstreerde het team eerst de variatie van de transmissie van het apparaat met de gelijkspanning bij de operationele golflengte. Te zien is dat na 1 V de transmissie scherp daalt boven 60 dB. Vanwege de beperkingen van conventionele oscilloscoopobservatiemethoden, hanteert het onderzoeksteam de zelfheterodyne interferentiemeetmethode en gebruikt het het grote dynamische bereik van de spectrometer om de ultrahoge dynamische extinctieverhouding van de modulator tijdens pulsmodulatie te karakteriseren. De experimentele resultaten tonen aan dat de uitgangslichtpuls van de modulator een extinctieverhouding heeft van maximaal 68 dB, en een extinctieverhouding van meer dan 65 dB nabij verschillende resonantiegolflengteposities. Na gedetailleerde berekeningen bedraagt ​​de werkelijke RF-aandrijfspanning op de elektrode ongeveer 1 V en bedraagt ​​het modulatievermogen slechts 3,6 mW, wat twee ordes van grootte lager is dan het vermogen van de conventionele AOM-modulator.

De toepassing van een siliciumgebaseerde elektro-optische modulator in een DAS-systeem kan worden toegepast op een DAS-systeem met directe detectie door de modulator op de chip te verpakken. Anders dan de algemene heterodyne interferometrie met lokale signalen, 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 aan dat de signaal-ruisverhouding (SNR) ongeveer 56 dB bedraagt. De verdeling van de spectrale vermogensdichtheid over de gehele lengte van de sensorvezel in het bereik van signaalfrequenties ±100 Hz wordt verder onderzocht. Naast het prominente signaal op de trillingspositie en -frequentie, worden er bepaalde spectrale vermogensdichtheidsreacties waargenomen op andere ruimtelijke locaties. Het overspraakgeluid in het bereik van ±10 Hz en buiten de trillingspositie wordt gemiddeld over de lengte van de vezel, en de gemiddelde signaal-ruisverhouding in de ruimte bedraagt ​​niet minder dan 33 dB.

Figuur 2

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

b Gedemoduleerde signaalvermogensspectraaldichtheid.

c, d trillingsfrequenties in de buurt van de verdeling van de spectrale vermogensdichtheid langs de sensorvezel.

Deze studie is de eerste die een elektro-optische modulator op silicium met een ultrahoge extinctieverhouding (68 dB) heeft ontwikkeld en succesvol is toegepast in DAS-systemen. Het effect van het gebruik van een commerciële AOM-modulator is zeer vergelijkbaar, en de afmetingen en het stroomverbruik zijn twee ordes van grootte kleiner dan die van laatstgenoemde, wat naar verwachting een sleutelrol zal spelen in de volgende generatie geminiaturiseerde, energiezuinige gedistribueerde glasvezelsensorsystemen. Bovendien zijn het grootschalige CMOS-productieproces en de on-chip integratiemogelijkheden van siliciumgebaseerdeopto-elektronische apparatenkan de ontwikkeling van een nieuwe generatie goedkope, multi-device monolithische geïntegreerde modules gebaseerd op op een chip gedistribueerde glasvezelsensorsystemen aanzienlijk bevorderen.