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

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

Moduladores eletro-ópticos on-chip (à base de silício, triquinoide, niobato de lítio em película fina, etc.) apresentam as vantagens de compacidade, alta velocidade e baixo consumo de energia, mas ainda existem grandes desafios para alcançar a modulação de intensidade dinâmica com taxa de extinção ultra-alta. Recentemente, pesquisadores de um Centro de Pesquisa Conjunto para Sensoriamento por Fibra Óptica em uma universidade chinesa fizeram um grande avanço no campo de moduladores eletro-ópticos com taxa de extinção ultra-alta em substratos de silício. Com base na estrutura de filtro óptico de alta ordem, o silício on-chipmodulador eletro-ópticocom taxa de extinção de até 68 dB é realizado pela primeira vez. O tamanho e o consumo de energia são duas ordens de magnitude menores do que os tradicionaisModulador AOM, e a viabilidade de aplicação do dispositivo é verificada no sistema DAS do laboratório.

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

O baseado em silíciomodulador eletro-ópticoA estrutura do filtro microanéis acoplado é semelhante à do filtro elétrico clássico. O modulador eletro-óptico alcança uma filtragem passa-banda plana e uma alta taxa de rejeição fora de banda (> 60 dB) através do acoplamento em série de quatro ressonadores microanéis à base de silício. Com a ajuda de um deslocador de fase eletro-óptico do tipo pino em cada microanéis, o espectro de transmitância do modulador pode ser significativamente alterado a uma baixa tensão aplicada (< 1,5 V). A alta taxa de rejeição fora de banda, combinada com a característica de redução acentuada do filtro, permite que a intensidade da luz de entrada próxima ao comprimento de onda ressonante seja modulada com um contraste muito alto, o que é muito propício à produção de pulsos de luz com taxa de extinção ultra-alta.

Para verificar a capacidade de modulação do modulador eletro-óptico, a equipe demonstrou primeiramente a variação da transmitância do dispositivo com a tensão CC no comprimento de onda operacional. Pode-se observar que, após 1 V, a transmitância cai drasticamente acima de 60 dB. Devido às limitações dos métodos convencionais de observação por 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 taxa de extinção dinâmica ultra-alta do modulador durante a modulação por pulso. Os resultados experimentais mostram que o pulso de luz de saída do modulador tem uma taxa de extinção de até 68 dB e uma taxa de extinção de mais de 65 dB perto de várias posições de comprimento de onda ressonantes. Após cálculos detalhados, a tensão real de acionamento de RF carregada no eletrodo é de cerca de 1 V e o consumo de energia da modulação é de apenas 3,6 mW, o que é duas ordens de magnitude menor do que o consumo de energia do modulador AOM convencional.

A aplicação do modulador eletro-óptico baseado em silício no sistema DAS pode ser aplicada a um sistema DAS de detecção direta por meio do encapsulamento do modulador no chip. Diferentemente da interferometria heteródina de sinal local geral, o modo de demodulação da interferometria de Michelson não balanceada é adotado neste sistema, de modo que o efeito de mudança de frequência óptica do modulador não é necessário. As mudanças de fase causadas por sinais de vibração sinusoidal são restauradas com sucesso pela demodulação de sinais dispersos de Rayleigh de 3 canais usando o algoritmo de demodulação IQ convencional. Os resultados mostram que o SNR é de cerca de 56 dB. A distribuição da densidade espectral de potência ao longo de todo o comprimento da fibra do sensor na faixa de frequência do sinal ±100 Hz é investigada mais detalhadamente. Além do sinal proeminente na posição e frequência de vibração, observa-se que existem 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 ao longo do comprimento da fibra, e o SNR médio no espaço não é inferior a 33 dB.

Figura 2

um diagrama esquemático de um sistema de detecção acústica distribuída 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 obter um modulador eletro-óptico em silício com uma taxa de extinção ultra-alta (68 dB), aplicado com sucesso a sistemas DAS. O efeito do uso de um modulador AOM comercial é muito próximo, e o tamanho e o consumo de energia são duas ordens de magnitude menores que este último, o que deverá desempenhar um papel fundamental na próxima geração de sistemas de detecção de fibra distribuída miniaturizados e de baixo consumo. Além disso, o processo de fabricação em larga escala do CMOS e a capacidade de integração em chip de sistemas baseados em silíciodispositivos optoeletrônicospode promover significativamente o desenvolvimento de uma nova geração de módulos integrados monolíticos multidispositivos de baixo custo, baseados em sistemas de detecção de fibra distribuída no chip.