O modulador electroóptico de taxa de extinción ultra alta de última xeración

O máis recentemodulador electroóptico de taxa de extinción ultra alta

Os moduladores electroópticos integrados no chip (baseados en silicio, triquinoides, de película fina de niobato de litio, etc.) teñen as vantaxes da súa compacidade, alta velocidade e baixo consumo de enerxía, pero aínda existen grandes desafíos para lograr a modulación dinámica da intensidade cunha taxa de extinción ultra alta. Recentemente, investigadores dun Centro de Investigación Conxunto para a Detección de Fibra Óptica dunha universidade chinesa fixeron un gran avance no campo dos moduladores electroópticos de taxa de extinción ultra alta en substratos de silicio. Baseándose na estrutura do filtro óptico de alta orde, o silicio integrado...modulador electroópticocunha taxa de extinción de ata 68 dB realízase por primeira vez. O tamaño e o consumo de enerxía son dúas ordes de magnitude menores que os tradicionaisModulador de AOMe a viabilidade de aplicación do dispositivo verifícase no sistema DAS de laboratorio.

Figura 1 Diagrama esquemático do dispositivo de proba para ultramodulador electroóptico de alta taxa de extinción

A base de siliciomodulador electroópticobaseado na estrutura do filtro de microanel acoplado é similar ao filtro eléctrico clásico. O modulador electroóptico consegue un filtrado de paso de banda plano e unha alta taxa de rexeitamento fóra de banda (>60 dB) mediante o acoplamento en serie de catro resonadores de microanel baseados en silicio. Coa axuda dun cambiador de fase electroóptico tipo Pin en cada microanel, o espectro de transmitancia do modulador pode modificarse significativamente a unha baixa tensión aplicada (<1,5 V). A alta taxa de rexeitamento fóra de banda combinada coa característica de descenso pronunciado do filtro permite modular a intensidade da luz de entrada preto da lonxitude de onda resonante cun contraste moi grande, o que é moi propicio para a produción de pulsos de luz cunha taxa de extinción ultraalta.

Para verificar a capacidade de modulación do modulador electroóptico, o equipo demostrou primeiro a variación da transmitancia do dispositivo coa tensión continua na lonxitude de onda de funcionamento. Pódese observar que despois de 1 V, a transmitancia cae bruscamente por riba dos 60 dB. Debido á limitación dos métodos de observación convencionais do osciloscopio, o equipo de investigación adopta o método de medición de interferencia autoheterodina e usa o amplo rango dinámico do espectrómetro para caracterizar a relación de extinción dinámica ultraalta do modulador durante a modulación do pulso. Os resultados experimentais mostran que o pulso de luz de saída do modulador ten unha relación de extinción de ata 68 dB e unha relación de extinción de máis de 65 dB preto de varias posicións de lonxitude de onda resonante. Tras un cálculo detallado, a tensión de excitación de RF real cargada no eléctrodo é de aproximadamente 1 V e o consumo de enerxía de modulación é de só 3,6 mW, o que é dúas ordes de magnitude menor que o consumo de enerxía do modulador AOM convencional.

A aplicación dun modulador electroóptico baseado en silicio no sistema DAS pódese aplicar a un sistema DAS de detección directa empaquetando o modulador no chip. A diferenza da interferometría heterodina de sinal local xeral, neste sistema adóptase o modo de desmodulación da interferometría de Michelson non balanceada, de xeito que non se require o efecto de cambio de frecuencia óptica do modulador. Os cambios de fase causados ​​polos sinais de vibración sinusoidais restáuranse con éxito mediante a desmodulación dos sinais dispersos de Rayleigh de 3 canles utilizando o algoritmo de desmodulación IQ convencional. Os resultados mostran que a SNR é duns 56 dB. Investígase máis a fondo a distribución da densidade espectral de potencia ao longo de toda a lonxitude da fibra do sensor no rango de frecuencia do sinal ±100 Hz. Ademais do sinal prominente na posición e frecuencia de vibración, obsérvase que hai certas respostas de densidade espectral de potencia noutras localizacións espaciais. O ruído de diafonía no rango de ±10 Hz e fóra da posición de vibración calcúlase como media ao longo da lonxitude da fibra, e a SNR media no espazo non é inferior a 33 dB.

Figura 2

Diagrama esquemático dun sistema de detección acústica distribuída por fibra óptica.

b Densidade espectral de potencia do sinal desmodulado.

Frecuencias de vibración c e d preto da distribución da densidade espectral de potencia ao longo da fibra sensora.

Este estudo é o primeiro en conseguir un modulador electroóptico en silicio cunha taxa de extinción ultraalta (68 dB) e aplicado con éxito a sistemas DAS. O efecto do uso dun modulador AOM comercial é moi semellante, e o tamaño e o consumo de enerxía son dúas ordes de magnitude menores que este último, o que se espera que desempeñe un papel clave na próxima xeración de sistemas de detección de fibra distribuída miniaturizados e de baixa potencia. Ademais, o proceso de fabricación a grande escala CMOS e a capacidade de integración en chip dos sistemas baseados en silicio...dispositivos optoelectrónicospode promover enormemente o desenvolvemento dunha nova xeración de módulos integrados monolíticos multidispositivo de baixo custo baseados en sistemas de detección de fibra distribuída en chip.