Il più recente modulatore elettro-ottico ad altissimo rapporto di estinzione

L'ultimomodulatore elettro-ottico ad altissimo rapporto di estinzione

I modulatori elettro-ottici su 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 ci sono ancora grandi sfide per ottenere una modulazione dinamica dell'intensità con un rapporto di estinzione ultra-elevato. Recentemente, i ricercatori di un centro di ricerca congiunto per il rilevamento a fibra ottica presso un'università cinese hanno fatto una grande svolta nel campo dei modulatori elettro-ottici con rapporto di estinzione ultra-elevato su substrati di silicio. Basato sulla struttura del filtro ottico di ordine superiore, il silicio su chipmodulatore elettro-otticocon un rapporto di estinzione fino a 68 dB viene realizzato per la prima volta. Le dimensioni e il consumo energetico sono di due ordini di grandezza inferiori rispetto a quelli tradizionaliModulatore AOMe la fattibilità applicativa del dispositivo viene verificata nel sistema DAS di laboratorio.

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

Il siliciomodulatore elettro-otticoBasato sulla struttura del filtro a microring accoppiato, è simile al classico filtro elettrico. Il modulatore elettro-ottico raggiunge un filtraggio passa-banda piatto e un elevato rapporto di reiezione fuori banda (>60 dB) grazie all'accoppiamento in serie di quattro risonatori a microring a base di silicio. Con l'ausilio di uno sfasatore elettro-ottico di tipo Pin in ciascun microring, lo spettro di trasmittanza del modulatore può essere modificato significativamente a una bassa tensione applicata (<1,5 V). L'elevato rapporto di reiezione fuori banda, combinato con la ripida caratteristica di roll-down del filtro, consente di modulare l'intensità della luce in ingresso in prossimità della lunghezza d'onda di risonanza con un contrasto molto elevato, il che è molto favorevole alla produzione di impulsi luminosi con un 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 CC alla lunghezza d'onda operativa. Si può notare che dopo 1 V, la trasmittanza diminuisce bruscamente di oltre 60 dB. A causa delle limitazioni dei metodi di osservazione convenzionali con oscilloscopio, il team di ricerca ha adottato il metodo di misurazione dell'interferenza autoeterodina e ha utilizzato l'ampia gamma dinamica dello spettrometro per caratterizzare l'altissimo rapporto di estinzione dinamica del modulatore durante la modulazione a impulsi. I risultati sperimentali mostrano che l'impulso luminoso in uscita del modulatore ha un rapporto di estinzione fino a 68 dB e un rapporto di estinzione superiore a 65 dB in prossimità di diverse posizioni di lunghezza d'onda di risonanza. Dopo calcoli dettagliati, la tensione di pilotaggio RF effettiva applicata all'elettrodo è di circa 1 V e il consumo di potenza di modulazione è di soli 3,6 mW, ovvero due ordini di grandezza inferiore al consumo di potenza di un modulatore AOM convenzionale.

L'applicazione di un modulatore elettro-ottico a base di silicio in un sistema DAS può essere estesa a un sistema DAS a rilevamento diretto integrando il modulatore su chip. A differenza dell'interferometria eterodina a segnale locale, in questo sistema viene adottata la modalità di demodulazione dell'interferometria di Michelson non bilanciata, eliminando così la necessità dell'effetto di spostamento di frequenza ottica del modulatore. Le variazioni di fase causate da segnali di vibrazione sinusoidali vengono ripristinate con successo mediante la demodulazione dei segnali di diffusione di Rayleigh a 3 canali utilizzando un algoritmo di demodulazione IQ convenzionale. I risultati mostrano un SNR di circa 56 dB. Viene inoltre studiata la distribuzione della densità spettrale di potenza lungo l'intera lunghezza della fibra del sensore nell'intervallo di frequenza del segnale di ±100 Hz. Oltre al segnale prominente nella posizione e alla frequenza di vibrazione, si osservano alcune risposte della 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 l'SNR medio nello spazio non è inferiore a 33 dB.

Figura 2

Schema di un sistema di rilevamento acustico distribuito tramite fibra ottica.

b Densità spettrale di potenza del segnale demodulato.

c, d frequenze di vibrazione in prossimità della 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) e applicato con successo ai sistemi DAS, e l'effetto dell'utilizzo di un modulatore AOM commerciale è molto simile, e le dimensioni e il consumo energetico sono due ordini di grandezza inferiori a quest'ultimo, il che dovrebbe svolgere un ruolo chiave nella prossima generazione di sistemi di rilevamento a fibra distribuiti miniaturizzati e a basso consumo. Inoltre, il processo di produzione su larga scala CMOS e la capacità di integrazione su chip del siliciodispositivi optoelettronicipuò promuovere notevolmente lo sviluppo di una nuova generazione di moduli monolitici integrati multi-dispositivo a basso costo basati su sistemi di rilevamento a fibra distribuiti su chip.