Lo últimomodulador electroóptico de relación de extinción ultra alta
Los moduladores electroópticos integrados en chip (basados en silicio, triquinoide, niobato de litio de película delgada, etc.) presentan las ventajas de compacidad, alta velocidad y bajo consumo de energía, pero aún existen grandes desafíos para lograr una modulación de intensidad dinámica con una relación de extinción ultra alta. Recientemente, investigadores de un centro de investigación conjunto para la detección por fibra óptica en una universidad china han logrado un importante avance en el campo de los moduladores electroópticos con relación de extinción ultra alta en sustratos de silicio. Basándose en la estructura de filtro óptico de alto orden, el silicio integrado en chipmodulador electroópticoSe logra por primera vez una relación de extinción de hasta 68 dB. El tamaño y el consumo de energía son dos órdenes de magnitud menores que los de los dispositivos tradicionales.modulador AOMy 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 la estructura de filtro de microranuras acopladas, es similar al filtro eléctrico clásico. El modulador electroóptico 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 microranuras de silicio. Con la ayuda de un desplazador de fase electroóptico tipo pin en cada microranura, 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, combinada con la pronunciada atenuación del filtro, permite modular la intensidad de la luz de entrada cerca de la longitud de onda de resonancia con un contraste muy elevado, lo que resulta muy propicio para la producción de pulsos de luz con una relación de extinción ultra alta.
Para verificar la capacidad de modulación del modulador electroóptico, el equipo demostró primero la variación de la transmitancia del dispositivo con el voltaje de CC a la longitud de onda de operación. Se puede observar que, después de 1 V, la transmitancia cae bruscamente por debajo de 60 dB. Debido a la limitación de los métodos de observación de osciloscopio convencionales, el equipo de investigación adopta el método de medición de interferencia autoheterodina y utiliza el amplio rango dinámico del espectrómetro para caracterizar la relación de extinción dinámica ultra alta del modulador durante la modulación de pulsos. Los resultados experimentales muestran que el pulso de luz de salida del modulador tiene una relación de extinción de hasta 68 dB, y una relación de extinción de más de 65 dB cerca de varias posiciones de longitud de onda resonante. Después de un cálculo detallado, el voltaje de excitación de RF real cargado al electrodo es de aproximadamente 1 V, y el consumo de potencia de modulación es de solo 3,6 mW, que es dos órdenes de magnitud menor que el consumo de potencia de un modulador AOM convencional.
La aplicación de un modulador electroóptico basado en silicio en un sistema DAS se puede aplicar a un sistema DAS de detección directa mediante el encapsulado del modulador en el chip. A diferencia de la interferometría heterodina de señal local general, en este sistema se adopta el modo de demodulación de la interferometría de Michelson no balanceada, por lo que no se requiere el efecto de desplazamiento de frecuencia óptica del modulador. Los cambios de fase causados por señales de vibración sinusoidales se restauran con éxito mediante la demodulación de señales dispersas de Rayleigh de 3 canales utilizando el algoritmo de demodulación IQ convencional. Los resultados muestran que la relación señal/ruido (SNR) es de aproximadamente 56 dB. Se investiga además la distribución de la densidad espectral de potencia a lo largo de toda la longitud de 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 observa que hay 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 longitud de la fibra, y la SNR promedio en el espacio no es inferior a 33 dB.
Figura 2
Diagrama esquemático de un sistema de detección acústica distribuida mediante fibra óptica.
b) Densidad espectral de potencia de la señal demodulada.
c, d frecuencias de vibración cerca de 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 ultra alta (68 dB), y se aplicó con éxito a sistemas DAS, y el efecto de usar un modulador AOM comercial es muy similar, y el tamaño y el consumo de energía son dos órdenes de magnitud menores que este último, lo que se espera que desempeñe un papel clave en la próxima generación de sistemas de detección de fibra distribuidos 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 siliciodispositivos optoelectrónicosPuede promover en gran medida el desarrollo de una nueva generación de módulos integrados monolíticos multidispositivo de bajo costo basados en sistemas de detección de fibra distribuidos en el chip.
Fecha de publicación: 18 de marzo de 2025