Lo últimomodulador electroóptico de relación de extinción ultra alta
Los moduladores electroópticos integrados en chip (basados en silicio, triquinoides, niobato de litio de película delgada, etc.) ofrecen ventajas como la compacidad, la alta velocidad y el bajo consumo energético, pero aún existen grandes desafíos para lograr una modulación dinámica de intensidad con una relación de extinción ultraalta. Recientemente, investigadores de un centro de investigación conjunto para la detección por fibra óptica de una universidad china han logrado un avance significativo en el campo de los moduladores electroópticos de ultra alta relación de extinción sobre sustratos de silicio. Basándose en una estructura de filtro óptico de alto orden, el modulador de silicio integrado en chipmodulador electroópticoSe ha logrado por primera vez una relación de extinción de hasta 68 dB. Su tamaño y consumo energético son dos órdenes de magnitud menores que los de los sistemas tradicionales.modulador AOM, y la viabilidad de la aplicación del dispositivo se verifica en el sistema DAS de laboratorio.
Figura 1 Diagrama esquemático del dispositivo de prueba para ultramodulador electroóptico de alta relación de extinción
El basado en siliciomodulador electroópticoBasado en una estructura de filtro de microranillos acoplados, este modulador electroóptico es similar a un filtro eléctrico clásico. Logra un filtrado de paso de banda plano y una alta relación de rechazo fuera de banda (>60 dB) mediante el acoplamiento en serie de cuatro resonadores de microranillos de silicio. Gracias a un modulador de fase electroóptico tipo Pin en cada microranillo, el espectro de transmitancia del modulador puede modificarse significativamente con una baja tensión aplicada (<1,5 V). La alta relación de rechazo fuera de banda, junto con la pronunciada atenuación del filtro, permite modular la intensidad de la luz de entrada cercana a la longitud de onda de resonancia con un contraste muy elevado, lo que resulta muy propicio para la generación de pulsos de luz con una relación de extinción ultraalta.
Para verificar la capacidad de modulación del modulador electroóptico, el equipo demostró la variación de la transmitancia del dispositivo con la tensión continua a la longitud de onda de operación. Se observa que, a partir de 1 V, la transmitancia disminuye drásticamente por encima de 60 dB. Debido a las limitaciones de los métodos de observación convencionales con osciloscopio, el equipo de investigación adoptó el método de medición de interferencia autoheterodina y utilizó el amplio rango dinámico del espectrómetro para caracterizar la altísima relación de extinción dinámica del modulador durante la modulación de pulsos. Los resultados experimentales muestran que el pulso de luz de salida del modulador presenta una relación de extinción de hasta 68 dB, y superior a 65 dB cerca de varias longitudes de onda resonantes. Tras un cálculo detallado, se determinó que la tensión de excitación de RF aplicada al electrodo es de aproximadamente 1 V, y el consumo de energía de modulación es de tan solo 3,6 mW, dos órdenes de magnitud menor que el consumo de energía de un modulador AOM convencional.
La aplicación de un modulador electroóptico basado en silicio en un sistema DAS puede implementarse en un sistema DAS de detección directa mediante la integración del modulador en el chip. A diferencia de la interferometría heterodina de señal local convencional, este sistema adopta el modo de demodulación de la interferometría de Michelson no balanceada, lo que elimina la necesidad de compensar el desplazamiento de frecuencia óptica del modulador. Las variaciones de fase causadas por señales de vibración sinusoidal se recuperan satisfactoriamente mediante la demodulación de señales dispersadas por Rayleigh de 3 canales, utilizando el algoritmo de demodulación IQ convencional. Los resultados muestran una relación señal/ruido (SNR) de aproximadamente 56 dB. Se analiza la distribución de la densidad espectral de potencia a lo largo de toda la fibra del sensor en el rango de frecuencia de señal de ±100 Hz. Además de la señal prominente en la posición y frecuencia de vibración, se observan ciertas respuestas de densidad espectral de potencia en otras ubicaciones espaciales. El ruido de diafonía en el rango de ±10 Hz y fuera de la posición de vibración se promedia a lo largo de la fibra, obteniéndose una SNR promedio espacial de al menos 33 dB.
Figura 2
Diagrama esquemático de un sistema de detección acústica distribuida por fibra óptica.
b Densidad espectral de potencia de la señal demodulada.
frecuencias de vibración c, d cercanas a la distribución de densidad espectral de potencia a lo largo de la fibra sensora.
Este estudio es el primero en lograr un modulador electroóptico en silicio con una relación de extinción ultraalta (68 dB), y lo ha aplicado con éxito a sistemas DAS. Su rendimiento es muy similar al de un modulador AOM comercial, pero con un tamaño y consumo de energía dos órdenes de magnitud menores. Se espera que este modulador desempeñe un papel fundamental en la próxima generación de sistemas de detección de fibra óptica miniaturizados y de bajo consumo. Además, el proceso de fabricación a gran escala CMOS y la capacidad de integración en chip de los sistemas basados en silicio permiten su uso.dispositivos optoelectrónicospuede promover en gran medida el desarrollo de una nueva generación de módulos integrados monolíticos de bajo coste y múltiples dispositivos basados en sistemas de detección de fibra distribuida en chip.
Fecha de publicación: 18 de marzo de 2025