Die neuestenelektrooptischer Modulator mit ultrahohem Extinktionsverhältnis
Elektrooptische Modulatoren auf Chips (Silizium-basiert, Trichinoid, Lithiumniobat-Dünnschicht usw.) zeichnen sich durch Kompaktheit, hohe Geschwindigkeit und geringen Stromverbrauch aus. Die dynamische Intensitätsmodulation mit extrem hohem Extinktionsverhältnis stellt jedoch weiterhin eine große Herausforderung dar. Forschern eines gemeinsamen Forschungszentrums für faseroptische Sensorik an einer chinesischen Universität ist kürzlich ein bedeutender Durchbruch auf dem Gebiet der elektrooptischen Modulatoren mit extrem hohem Extinktionsverhältnis auf Siliziumsubstraten gelungen. Basierend auf der Struktur optischer Filter höherer Ordnung wurde der Silizium-Chip entwickelt, der die dynamische Intensitätsmodulation mit extrem hohem Extinktionsverhältnis ermöglicht.elektrooptischer ModulatorEin Extinktionsverhältnis von bis zu 68 dB wird erstmals erreicht. Größe und Stromverbrauch sind zwei Größenordnungen kleiner als bei herkömmlichen Systemen.AOM-ModulatorDie Anwendbarkeit des Geräts wird im Labor-DAS-System verifiziert.
Abbildung 1 Schematische Darstellung der Testvorrichtung für Ultraelektrooptischer Modulator mit hohem Extinktionsverhältnis
Die siliziumbasierteelektrooptischer ModulatorDie auf der gekoppelten Mikroringfilterstruktur basierende Struktur ähnelt einem klassischen elektrischen Filter. Der elektrooptische Modulator erzielt durch die Reihenkopplung von vier Silizium-basierten Mikroringresonatoren eine flache Bandpassfilterung und ein hohes Außerbanddämpfungsverhältnis (>60 dB). Mithilfe eines elektrooptischen Phasenschiebers vom Pin-Typ in jedem Mikroring lässt sich das Transmissionsspektrum des Modulators bereits bei einer niedrigen angelegten Spannung (<1,5 V) deutlich verändern. Das hohe Außerbanddämpfungsverhältnis in Kombination mit der steilen Filterabsenkung ermöglicht eine kontrastreiche Modulation der Intensität des Eingangslichts nahe der Resonanzwellenlänge, was die Erzeugung von Lichtimpulsen mit extrem hohem Extinktionsverhältnis begünstigt.
Um die Modulationsfähigkeit des elektrooptischen Modulators zu überprüfen, demonstrierte das Team zunächst die Änderung der Transmission des Bauelements in Abhängigkeit von der Gleichspannung bei der Betriebswellenlänge. Es zeigte sich, dass die Transmission ab 1 V sprunghaft um über 60 dB abfiel. Aufgrund der Einschränkungen herkömmlicher Oszilloskop-Messmethoden verwendete das Forschungsteam die Selbstheterodyn-Interferenzmessung und nutzte den großen Dynamikbereich des Spektrometers, um das extrem hohe dynamische Extinktionsverhältnis des Modulators während der Pulsmodulation zu charakterisieren. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass der Ausgangslichtpuls des Modulators ein Extinktionsverhältnis von bis zu 68 dB aufweist und in der Nähe mehrerer Resonanzwellenlängen sogar über 65 dB liegt. Nach detaillierter Berechnung beträgt die tatsächliche HF-Ansteuerspannung an der Elektrode etwa 1 V, und die Modulationsleistungsaufnahme liegt bei lediglich 3,6 mW. Dies ist zwei Größenordnungen geringer als die Leistungsaufnahme herkömmlicher AOM-Modulatoren.
Die Anwendung eines siliziumbasierten elektrooptischen Modulators in DAS-Systemen ermöglicht die Integration des Modulators in einen Chip zur direkten Detektion. Anders als bei der herkömmlichen Heterodyn-Interferometrie mit lokalen Signalen wird in diesem System die Demodulation mittels nicht-symmetrischer Michelson-Interferometrie eingesetzt, wodurch die optische Frequenzverschiebung des Modulators entfällt. Die durch sinusförmige Vibrationssignale verursachten Phasenänderungen werden durch Demodulation der Rayleigh-Streusignale der drei Kanäle mithilfe eines herkömmlichen IQ-Demodulationsalgorithmus erfolgreich korrigiert. Die Ergebnisse zeigen ein Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von ca. 56 dB. Die Verteilung der spektralen Leistungsdichte entlang der gesamten Sensorfaserlänge im Frequenzbereich von ±100 Hz wird weiter untersucht. Neben dem ausgeprägten Signal an der Vibrationsposition und -frequenz zeigen sich auch an anderen räumlichen Positionen spezifische spektrale Leistungsdichteverläufe. Das Übersprechen im Bereich von ±10 Hz und außerhalb der Vibrationsposition mittelt sich entlang der Faserlänge, und das mittlere räumliche SNR beträgt mindestens 33 dB.
Abbildung 2
Schematische Darstellung eines optischen faseroptischen verteilten akustischen Sensorsystems.
b Leistungsspektraldichte des demodulierten Signals.
c, d Schwingungsfrequenzen in der Nähe der Leistungsdichtespektrumverteilung entlang der Messfaser.
Diese Studie realisiert erstmals einen elektrooptischen Modulator auf Siliziumbasis mit einem extrem hohen Extinktionsverhältnis (68 dB) und setzt ihn erfolgreich in DAS-Systemen ein. Die Wirkung ist vergleichbar mit der eines kommerziellen AOM-Modulators, wobei Größe und Stromverbrauch um zwei Größenordnungen geringer sind. Dies dürfte eine Schlüsselrolle in der nächsten Generation miniaturisierter, energieeffizienter, verteilter Fasersensorsysteme spielen. Darüber hinaus bietet die CMOS-Großfertigung und die On-Chip-Integrationsfähigkeit von Silizium-basierten Technologien weitere Vorteile.optoelektronische Bauelementekann die Entwicklung einer neuen Generation kostengünstiger, monolithisch integrierter Module für mehrere Geräte auf Basis von On-Chip-basierten verteilten Fasersensorsystemen erheblich fördern.
Veröffentlichungsdatum: 18. März 2025