Das Neuesteelektrooptischer Modulator mit ultrahohem Extinktionsverhältnis
On-Chip-elektrooptische Modulatoren (siliziumbasiert, Triquinoid, Dünnschicht-Lithiumniobat usw.) bieten die Vorteile von Kompaktheit, hoher Geschwindigkeit und geringem Stromverbrauch, stellen jedoch noch immer große Herausforderungen bei der Erzielung einer dynamischen Intensitätsmodulation mit ultrahohem Extinktionsverhältnis dar. Forscher eines gemeinsamen Forschungszentrums für faseroptische Sensorik an einer chinesischen Universität haben kürzlich einen wichtigen Durchbruch auf dem Gebiet der elektrooptischen Modulatoren mit ultrahohem Extinktionsverhältnis auf Siliziumsubstraten erzielt. Basierend auf der optischen Filterstruktur höherer Ordnung ermöglicht der On-Chip-Siliziumelektrooptischer Modulatormit einem Extinktionsverhältnis von bis zu 68 dB wird erstmals realisiert. Die Größe und der Stromverbrauch sind zwei Größenordnungen kleiner als bei herkömmlichenAOM-Modulator, und die Anwendungstauglichkeit des Gerätes wird im Labor-DAS-System überprüft.
Abbildung 1 Schematische Darstellung des Prüfgeräts für Ultraelektrooptischer Modulator mit hohem Extinktionsverhältnis
Die siliziumbasierteelektrooptischer ModulatorDie auf der gekoppelten Mikroringfilterstruktur basierende Struktur ähnelt dem klassischen elektrischen Filter. Der elektrooptische Modulator erreicht durch die Reihenschaltung von vier siliziumbasierten Mikroringresonatoren eine flache Bandpassfilterung und eine hohe Außerbandunterdrückung (> 60 dB). Mithilfe eines Pin-artigen elektrooptischen Phasenschiebers in jedem Mikroring kann das Transmissionsspektrum des Modulators bei niedriger angelegter Spannung (< 1,5 V) deutlich verändert werden. Die hohe Außerbandunterdrückung in Kombination mit der steilen Filter-Roll-Down-Charakteristik ermöglicht eine sehr kontrastreiche Modulation der Eingangslichtintensität 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 Variation der Transmission des Geräts mit der Gleichspannung bei der Betriebswellenlänge. Es ist zu erkennen, dass die Transmission nach 1 V stark um über 60 dB abfällt. Aufgrund der Beschränkungen herkömmlicher Oszilloskop-Beobachtungsmethoden wendete das Forschungsteam die Methode der Selbstüberlagerungsinterferenzmessung an und nutzt den großen Dynamikbereich des Spektrometers, um das ultrahohe 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 und in der Nähe mehrerer Resonanzwellenlängenpositionen ein Extinktionsverhältnis von über 65 dB aufweist. Nach detaillierter Berechnung beträgt die tatsächliche an der Elektrode anliegende HF-Antriebsspannung etwa 1 V und der Modulationsleistungsverbrauch beträgt lediglich 3,6 mW, was zwei Größenordnungen weniger ist als der Stromverbrauch herkömmlicher AOM-Modulatoren.
Die Anwendung eines elektrooptischen Modulators auf Siliziumbasis in einem DAS-System kann durch die Integration des Modulators auf einem Chip auf ein DAS-System mit direkter Detektion übertragen werden. Im Unterschied zur allgemeinen lokalen Signal-Heterodyn-Interferometrie wird in diesem System der Demodulationsmodus der unsymmetrischen Michelson-Interferometrie verwendet, sodass der optische Frequenzverschiebungseffekt des Modulators nicht erforderlich ist. Die durch sinusförmige Vibrationssignale verursachten Phasenänderungen werden durch Demodulation der Rayleigh-Streusignale dreier Kanäle mithilfe eines herkömmlichen IQ-Demodulationsalgorithmus erfolgreich wiederhergestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) etwa 56 dB beträgt. Die Verteilung der spektralen Leistungsdichte über die gesamte Länge der Sensorfaser im Signalfrequenzbereich von ±100 Hz wird weiter untersucht. Neben dem ausgeprägten Signal an der Vibrationsposition und -frequenz werden bestimmte Reaktionen der spektralen Leistungsdichte an anderen räumlichen Positionen beobachtet. Das Übersprechrauschen im Bereich von ±10 Hz und außerhalb der Vibrationsposition wird über die Länge der Faser gemittelt, und das durchschnittliche räumliche SNR beträgt mindestens 33 dB.
Abbildung 2
ein schematisches Diagramm eines verteilten akustischen Sensorsystems mit Glasfaser.
b Demodulierte spektrale Signalleistungsdichte.
c, d Schwingungsfrequenzen in der Nähe der Leistungsspektraldichteverteilung entlang der Sensorfaser.
Diese Studie ist die erste, die einen elektrooptischen Modulator auf Siliziumbasis mit einem ultrahohen Extinktionsverhältnis (68 dB) entwickelt und erfolgreich in DAS-Systemen eingesetzt hat. Der Effekt eines kommerziellen AOM-Modulators ist dem eines solchen sehr ähnlich, und Größe und Stromverbrauch sind um zwei Größenordnungen geringer als bei letzterem. Dies dürfte eine Schlüsselrolle in der nächsten Generation miniaturisierter, stromsparender, verteilter Fasersensorsysteme spielen. Darüber hinaus sind der CMOS-Großserienfertigungsprozess und die On-Chip-Integrationsfähigkeit von Silizium-basiertenoptoelektronische Gerätekann die Entwicklung einer neuen Generation kostengünstiger, monolithisch integrierter Module mit mehreren Geräten auf der Basis verteilter On-Chip-Fasersensorsysteme erheblich fördern.
Veröffentlichungszeit: 18. März 2025