L'ultimo modulatore elettro-ottico ad altissimo rapporto di estinzione

L'ultimomodulatore elettro-ottico ad altissimo rapporto di estinzione

I modulatori elettro-ottici on-chip (a base di silicio, trichinoidi, niobato di litio a film sottile, ecc.) presentano i vantaggi di compattezza, alta velocità e basso consumo energetico, ma persistono ancora grandi sfide nel raggiungere una modulazione di intensità dinamica con un rapporto di estinzione ultra-elevato. Recentemente, i ricercatori di un Centro di ricerca congiunto per il rilevamento in fibra ottica presso un'università cinese hanno compiuto un importante passo avanti nel campo dei modulatori elettro-ottici ad altissimo rapporto di estinzione su substrati di silicio. Basato sulla struttura del filtro ottico di ordine elevato, il silicio on-chipmodulatore elettro-otticocon un rapporto di estinzione fino a 68 dB viene realizzato per la prima volta. Le dimensioni e il consumo energetico sono due ordini di grandezza inferiori a quelli dei tradizionaliModulatore AOMe la fattibilità applicativa del dispositivo viene verificata nel sistema DAS di laboratorio.

Figura 1 Diagramma schematico del dispositivo di prova per ultramodulatore elettro-ottico ad alto rapporto di estinzione

A base di siliciomodulatore elettro-otticoLa struttura del filtro a micro-anelli accoppiati è simile a quella del filtro elettrico classico. Il modulatore elettro-ottico raggiunge un filtraggio passa-banda piatto e un elevato rapporto di reiezione fuori banda (>60 dB) attraverso l'accoppiamento in serie di quattro risonatori a micro-anelli al silicio. Con l'ausilio di uno sfasatore elettro-ottico di tipo Pin in ciascun micro-anello, lo spettro di trasmittanza del modulatore può essere modificato in modo significativo a una bassa tensione applicata (<1,5 V). L'elevato rapporto di reiezione fuori banda, combinato con la caratteristica di roll-down del filtro, consente di modulare l'intensità della luce in ingresso in prossimità della lunghezza d'onda risonante con un contrasto molto elevato, il che favorisce la produzione di impulsi luminosi con rapporto di estinzione ultra-elevato.

Per verificare la capacità di modulazione del modulatore elettro-ottico, il team ha innanzitutto dimostrato la variazione della trasmittanza del dispositivo con la tensione continua alla lunghezza d'onda operativa. Si può osservare che, dopo 1 V, la trasmittanza diminuisce bruscamente oltre i 60 dB. A causa dei limiti dei metodi di osservazione convenzionali tramite oscilloscopio, il team di ricerca adotta il metodo di misura dell'interferenza autoeterodina e sfrutta l'ampio intervallo dinamico dello spettrometro per caratterizzare l'altissimo rapporto di estinzione dinamico del modulatore durante la modulazione a impulsi. I risultati sperimentali mostrano che l'impulso luminoso in uscita dal modulatore presenta un rapporto di estinzione fino a 68 dB e superiore a 65 dB in prossimità di diverse posizioni di lunghezza d'onda risonante. Dopo calcoli dettagliati, la tensione di pilotaggio RF effettiva caricata sull'elettrodo è di circa 1 V e il consumo energetico di modulazione è di soli 3,6 mW, ovvero due ordini di grandezza inferiore al consumo energetico di un modulatore AOM convenzionale.

L'applicazione di un modulatore elettro-ottico al silicio in un sistema DAS può essere applicata a un sistema DAS a rilevamento diretto integrando il modulatore on-chip. A differenza dell'interferometria eterodina a segnale locale generale, in questo sistema viene adottata la modalità di demodulazione dell'interferometria di Michelson non bilanciata, in modo che l'effetto di spostamento di frequenza ottica del modulatore non sia richiesto. Le variazioni di fase causate dai segnali di vibrazione sinusoidali vengono ripristinate con successo demodulando i segnali diffusi di Rayleigh su 3 canali utilizzando l'algoritmo di demodulazione IQ convenzionale. I risultati mostrano che il rapporto segnale-rumore (SNR) è di circa 56 dB. La distribuzione della densità spettrale di potenza lungo l'intera lunghezza della fibra del sensore nell'intervallo di frequenza del segnale ±100 Hz è stata ulteriormente studiata. Oltre al segnale prominente nella posizione e nella frequenza di vibrazione, si osserva che vi sono alcune risposte alla densità spettrale di potenza in altre posizioni spaziali. Il rumore di diafonia nell'intervallo di ±10 Hz e al di fuori della posizione di vibrazione viene mediato lungo la lunghezza della fibra e il rapporto segnale-rumore medio nello spazio non è inferiore a 33 dB.

Figura 2

uno schema di un sistema di rilevamento acustico distribuito in fibra ottica.

b Densità spettrale di potenza del segnale demodulato.

c, d frequenze di vibrazione vicine alla distribuzione della densità spettrale di potenza lungo la fibra di rilevamento.

Questo studio è il primo a realizzare un modulatore elettro-ottico su silicio con un rapporto di estinzione ultra-elevato (68 dB), applicato con successo ai sistemi DAS. L'effetto dell'utilizzo di un modulatore AOM commerciale è molto simile, mentre le dimensioni e il consumo energetico sono due ordini di grandezza inferiori a quest'ultimo, il che si prevede svolgerà un ruolo chiave nella prossima generazione di sistemi di rilevamento in fibra distribuiti miniaturizzati e a basso consumo. Inoltre, il processo di produzione su larga scala di CMOS e la capacità di integrazione on-chip dei sistemi basati su siliciodispositivi optoelettronicipuò promuovere notevolmente lo sviluppo di una nuova generazione di moduli integrati monolitici multi-dispositivo a basso costo basati su sistemi di rilevamento in fibra distribuiti su chip.