Nejnovější elektrooptický modulátor s ultravysokým extinkčním poměrem

Nejnovějšíelektrooptický modulátor s ultravysokým extinkčním poměrem

Elektrooptické modulátory na čipu (na bázi křemíku, trichinoidní, tenkovrstvé lithium-niobátové atd.) mají výhody kompaktnosti, vysoké rychlosti a nízké spotřeby energie, ale stále existují velké výzvy k dosažení dynamické modulace intenzity s ultravysokým extinkčním poměrem. Nedávno vědci ze společného výzkumného centra pro vláknovou optickou senzoriku na čínské univerzitě dosáhli významného průlomu v oblasti elektrooptických modulátorů s ultravysokým extinkčním poměrem na křemíkových substrátech. Na základě struktury optického filtru vyššího řádu je křemík na čipu...elektrooptický modulátors poměrem ztlumení až 68 dB je realizován poprvé. Velikost a spotřeba energie jsou o dva řády menší než u tradičníchModulátor AOMa aplikační proveditelnost zařízení je ověřena v laboratorním systému DAS.

Obrázek 1 Schéma zapojení testovacího zařízení pro ultraelektrooptický modulátor s vysokým extinkčním poměrem

Na bázi křemíkuelektrooptický modulátorZaložený na struktuře propojeného mikrokroužkového filtru, který je podobný klasickému elektrickému filtru. Elektrooptický modulátor dosahuje ploché pásmové propusti a vysokého potlačení mimopásmového šumu (>60 dB) díky sériovému zapojení čtyř křemíkových mikrokroužkových rezonátorů. Pomocí pinového elektrooptického fázového posunovače v každém mikrokroužku lze při nízkém aplikovaném napětí (<1,5 V) výrazně změnit spektrum propustnosti modulátoru. Vysoký potlačení mimopásmového šumu v kombinaci se strmou charakteristikou poklesu filtru umožňuje modulovat intenzitu vstupního světla v blízkosti rezonanční vlnové délky s velmi velkým kontrastem, což je velmi příznivé pro produkci světelných pulzů s ultravysokým poměrem extinkce.

Pro ověření modulační schopnosti elektrooptického modulátoru tým nejprve demonstroval změnu propustnosti zařízení v závislosti na stejnosměrném napětí na provozní vlnové délce. Je vidět, že po 1 V propustnost prudce klesá nad 60 dB. Vzhledem k omezením konvenčních metod pozorování osciloskopem výzkumný tým použil metodu měření interference s vlastní heterodynní interferencí a k charakterizaci ultra vysokého dynamického extinkčního poměru modulátoru během pulzní modulace využil velký dynamický rozsah spektrometru. Experimentální výsledky ukazují, že výstupní světelný puls modulátoru má extinkční poměr až 68 dB a extinkční poměr více než 65 dB v blízkosti několika rezonančních vlnových délek. Po podrobném výpočtu je skutečné RF budicí napětí přivedené na elektrodu přibližně 1 V a spotřeba modulačního výkonu je pouze 3,6 mW, což je o dva řády méně než spotřeba energie konvenčního AOM modulátoru.

Aplikaci elektrooptického modulátoru na bázi křemíku v systému DAS lze aplikovat i na systém DAS s přímou detekcí zabudováním modulátoru na čipu. Na rozdíl od obecné heterodynní interferometrie s lokálním signálem je v tomto systému použit demodulační režim nevyvážené Michelsonovy interferometrie, takže není vyžadován efekt optického frekvenčního posunu modulátoru. Fázové změny způsobené sinusovými vibračními signály byly úspěšně obnoveny demodulací Rayleighových rozptýlených signálů ze 3 kanálů pomocí konvenčního IQ demodulačního algoritmu. Výsledky ukazují, že poměr signálu k šumu (SNR) je přibližně 56 dB. Dále je zkoumáno rozložení výkonové spektrální hustoty po celé délce senzorového vlákna v rozsahu signálové frekvence ±100 Hz. Kromě výrazného signálu ve vibrační poloze a frekvenci bylo pozorováno, že existují určité odezvy výkonové spektrální hustoty i v jiných prostorových polohách. Šum přeslechů v rozsahu ±10 Hz a mimo vibrační pozici je zprůměrován po délce vlákna a průměrný poměr signálu k šumu (SNR) v prostoru není menší než 33 dB.

Obrázek 2

Schéma distribuovaného akustického snímacího systému s optickými vlákny.

b Spektrální hustota výkonu demodulovaného signálu.

c, d vibrační frekvence v blízkosti rozložení výkonové spektrální hustoty podél snímacího vlákna.

Tato studie je první, která dosáhla elektrooptického modulátoru na křemíku s ultravysokým poměrem extinkce (68 dB) a byla úspěšně aplikována na systémy DAS. Účinek použití komerčního AOM modulátoru je velmi podobný a velikost a spotřeba energie jsou o dva řády menší než u druhého jmenovaného modulátoru. Očekává se, že tento model bude hrát klíčovou roli v příští generaci miniaturizovaných, nízkoenergetických distribuovaných vláknových snímacích systémů. Kromě toho velkovýrobní proces CMOS a schopnost integrace na čipu křemíkových modulů...optoelektronická zařízenímůže výrazně podpořit vývoj nové generace nízkonákladových, vícezařízeníchových monolitických integrovaných modulů založených na distribuovaných vláknových senzorových systémech na čipu.