A legújabbultramagas kioltási arányú elektrooptikai modulátor
A chipre integrált elektrooptikai modulátorok (szilícium alapú, trikinoid, vékonyrétegű lítium-niobát stb.) előnyei a kompakt méret, a nagy sebesség és az alacsony energiafogyasztás, de még mindig nagy kihívást jelent a dinamikus intenzitásmoduláció elérése ultramagas kioltási aránnyal. Nemrégiben egy kínai egyetem közös Száloptikai Érzékelés Kutatóközpontjának kutatói jelentős áttörést értek el a szilícium hordozókon lévő ultramagas kioltási arányú elektrooptikai modulátorok területén. A magasabb rendű optikai szűrőszerkezetre építve a chipre integrált szilíciumelektrooptikai modulátorakár 68 dB-es kioltási aránnyal. A méret és az energiafogyasztás két nagyságrenddel kisebb, mint a hagyományosAOM modulátor, és az eszköz alkalmazási megvalósíthatóságát laboratóriumi DAS rendszerben ellenőrzik.
1. ábra Az ultrahangos tesztberendezés vázlatos rajzanagy kioltási arányú elektrooptikai modulátor
A szilícium alapúelektrooptikai modulátorA csatolt mikrogyűrűs szűrőszerkezet hasonló a klasszikus elektromos szűrőhöz. Az elektrooptikai modulátor sík sávszűrést és magas sávon kívüli elnyomási arányt (>60 dB) ér el négy szilíciumalapú mikrogyűrűs rezonátor soros csatolásával. Az egyes mikrogyűrűkben található Pin típusú elektrooptikai fázistolók segítségével a modulátor transzmittancia spektruma jelentősen megváltoztatható alacsony alkalmazott feszültségen (<1,5 V). A magas sávon kívüli elnyomási arány a meredek szűrőlegörgetési karakterisztikával kombinálva lehetővé teszi a rezonáns hullámhossz közelében lévő bemeneti fény intenzitásának nagyon nagy kontraszttal történő modulálását, ami nagyon kedvező az ultramagas kioltási arányú fényimpulzusok előállításához.
Az elektrooptikai modulátor modulációs képességének ellenőrzésére a kutatócsoport először bemutatta az eszköz transzmittanciájának változását az üzemi hullámhosszon lévő egyenfeszültség függvényében. Látható, hogy 1 V után az áteresztőképesség meredeken, 60 dB fölé csökken. A hagyományos oszcilloszkópos megfigyelési módszerek korlátai miatt a kutatócsoport az önheterodin interferencia mérési módszert alkalmazza, és a spektrométer széles dinamikus tartományát használja fel a modulátor ultramagas dinamikus kioltási arányának jellemzésére impulzusmoduláció során. A kísérleti eredmények azt mutatják, hogy a modulátor kimenő fényimpulzusának kioltási aránya akár 68 dB is lehet, és a kioltási arány több rezonáns hullámhossz-pozíció közelében meghaladja a 65 dB-t. Részletes számítás után az elektródára terhelt tényleges RF meghajtófeszültség körülbelül 1 V, a modulációs energiafogyasztás pedig mindössze 3,6 mW, ami két nagyságrenddel kisebb, mint a hagyományos AOM modulátor energiafogyasztása.
A szilícium alapú elektrooptikai modulátor DAS rendszerben történő alkalmazása közvetlenül detektálható DAS rendszerben a modulátor chipre történő beépítésével valósítható meg. Az általános lokális jelű heterodin interferometriától eltérően ebben a rendszerben a nem kiegyensúlyozott Michelson interferometria demodulációs módját alkalmazzák, így a modulátor optikai frekvenciaeltolási hatása nem szükséges. A szinuszos rezgési jelek által okozott fázisváltozásokat sikeresen vissza lehet állítani a 3 csatorna Rayleigh-szórt jeleinek hagyományos IQ demodulációs algoritmussal történő demodulálásával. Az eredmények azt mutatják, hogy az SNR körülbelül 56 dB. A teljesítményspektrum-sűrűség eloszlását az érzékelőszál teljes hosszában a ±100 Hz jelfrekvenciás tartományban tovább vizsgálták. A rezgési pozícióban és frekvencián kiemelkedő jel mellett megfigyelték, hogy bizonyos teljesítményspektrum-sűrűség válaszok vannak más térbeli helyeken is. A ±10 Hz tartományban és a rezgési pozíción kívüli áthallási zaj átlagolva van a szál hosszában, és az átlagos SNR a térben nem kevesebb, mint 33 dB.
2. ábra
Optikai szálas elosztott akusztikus érzékelő rendszer vázlatos rajza.
b Demodulált jel teljesítményspektrális sűrűsége.
c, d rezgési frekvenciák az érzékelő szál mentén a teljesítményspektrum-sűrűség-eloszlás közelében.
Ez a tanulmány az első, amely ultramagas (68 dB) kioltási aránnyal rendelkező, szilícium alapú elektrooptikai modulátort valósított meg, és sikeresen alkalmazta DAS rendszerekben. A kereskedelmi forgalomban kapható AOM modulátorok hatása nagyon közel áll az eredetihez, a mérete és az energiafogyasztása pedig két nagyságrenddel kisebb, mint az utóbbié, ami várhatóan kulcsszerepet játszik majd a miniatürizált, alacsony fogyasztású, elosztott száloptikai érzékelő rendszerek következő generációjában. Ezenkívül a szilícium alapú CMOS nagyméretű gyártási folyamata és chipre integrálható képessége...optoelektronikai eszközöknagymértékben elősegítheti az alacsony költségű, több eszközből álló, monolitikus integrált modulok új generációjának fejlesztését, amelyek chipre integrált, elosztott száloptikás érzékelő rendszereken alapulnak.
Közzététel ideje: 2025. márc. 18.