O mais recente modulador eletro-óptico com taxa de extinção ultra-alta

O mais recentemodulador eletro-óptico de taxa de extinção ultra-alta

Moduladores eletro-ópticos integrados (à base de silício, triquinóides, de filme fino de niobato de lítio, etc.) apresentam vantagens como compacidade, alta velocidade e baixo consumo de energia, mas ainda existem grandes desafios para alcançar a modulação dinâmica de intensidade com altíssima taxa de extinção. Recentemente, pesquisadores de um Centro de Pesquisa Conjunta para Sensoriamento por Fibra Óptica em uma universidade chinesa fizeram um grande avanço na área de moduladores eletro-ópticos de altíssima taxa de extinção em substratos de silício. Com base na estrutura de filtro óptico de alta ordem, o silício integrado no chip...modulador eletro-ópticoUma taxa de extinção de até 68 dB é alcançada pela primeira vez. O tamanho e o consumo de energia são duas ordens de magnitude menores do que os dos dispositivos tradicionais.modulador AOMe a viabilidade de aplicação do dispositivo é verificada no sistema DAS de laboratório.

Figura 1. Diagrama esquemático do dispositivo de teste para ultramodulador eletro-óptico de alta taxa de extinção

O à base de silíciomodulador eletro-ópticoBaseado na estrutura de filtro de microrresonadores acoplados, o modulador eletro-óptico é semelhante ao filtro elétrico clássico. Ele alcança filtragem passa-banda plana e alta taxa de rejeição fora da banda (>60 dB) através do acoplamento em série de quatro microrresonadores de silício. Com o auxílio de um deslocador de fase eletro-óptico do tipo PIN em cada microrresonador, o espectro de transmitância do modulador pode ser significativamente alterado com uma baixa tensão aplicada (<1,5 V). A alta taxa de rejeição fora da banda, combinada com a acentuada atenuação do filtro, permite que a intensidade da luz de entrada próxima ao comprimento de onda de ressonância seja modulada com um contraste muito alto, o que é extremamente favorável à produção de pulsos de luz com taxas de extinção ultra-altas.

Para verificar a capacidade de modulação do modulador eletro-óptico, a equipe demonstrou inicialmente a variação da transmitância do dispositivo com a tensão CC no comprimento de onda de operação. Observou-se que, após 1 V, a transmitância cai drasticamente para mais de 60 dB. Devido às limitações dos métodos convencionais de observação com osciloscópio, a equipe de pesquisa adotou o método de medição de interferência auto-heteródina e utilizou a ampla faixa dinâmica do espectrômetro para caracterizar a altíssima taxa de extinção dinâmica do modulador durante a modulação por pulsos. Os resultados experimentais mostraram que o pulso de luz emitido pelo modulador apresenta uma taxa de extinção de até 68 dB, e taxas superiores a 65 dB próximas a algumas posições de comprimento de onda de ressonância. Após cálculos detalhados, verificou-se que a tensão de acionamento de RF aplicada ao eletrodo é de aproximadamente 1 V, e o consumo de energia para modulação é de apenas 3,6 mW, duas ordens de magnitude menor que o consumo de energia de um modulador AOM convencional.

A aplicação de moduladores eletro-ópticos baseados em silício em sistemas DAS pode ser estendida a sistemas DAS de detecção direta através da integração do modulador no chip. Diferentemente da interferometria heterodina de sinal local convencional, este sistema adota o modo de demodulação da interferometria de Michelson não balanceada, dispensando o efeito de deslocamento de frequência óptica do modulador. As mudanças de fase causadas por sinais de vibração sinusoidal são restauradas com sucesso pela demodulação de sinais espalhados por Rayleigh em três canais, utilizando o algoritmo de demodulação IQ convencional. Os resultados mostram uma relação sinal-ruído (SNR) de aproximadamente 56 dB. A distribuição da densidade espectral de potência ao longo de toda a fibra do sensor, na faixa de frequência do sinal de ±100 Hz, é investigada em detalhes. Além do sinal proeminente na posição e frequência de vibração, observa-se a presença de certas respostas de densidade espectral de potência em outras localizações espaciais. O ruído de diafonia na faixa de ±10 Hz e fora da posição de vibração é calculado pela média ao longo da fibra, resultando em uma SNR média espacial de pelo menos 33 dB.

Figura 2

Diagrama esquemático de um sistema de sensoriamento acústico distribuído por fibra óptica.

b Densidade espectral de potência do sinal demodulado.

c, d frequências de vibração próximas à distribuição da densidade espectral de potência ao longo da fibra sensora.

Este estudo é o primeiro a alcançar um modulador eletro-óptico em silício com uma taxa de extinção ultra-alta (68 dB), aplicado com sucesso a sistemas DAS. O efeito obtido com o uso de um modulador AOM comercial é muito semelhante, porém com tamanho e consumo de energia duas ordens de magnitude menores. Espera-se que isso desempenhe um papel fundamental na próxima geração de sistemas de sensoriamento distribuído por fibra miniaturizados e de baixo consumo de energia. Além disso, o processo de fabricação em larga escala CMOS e a capacidade de integração em chip de sistemas baseados em silício são vantagens importantes.dispositivos optoeletrônicospode promover significativamente o desenvolvimento de uma nova geração de módulos integrados monolíticos de baixo custo e com múltiplos dispositivos, baseados em sistemas de sensoriamento de fibra distribuídos em chip.