Ang pinakabagong ultra-high extinction ratio electro-optic modulator

Ang pinakabagoultra-high extinction ratio electro-optic modulator

Ang mga on-chip electro-optical modulator (silicon-based, triquinoid, thin film lithium niobate, atbp.) ay may mga bentahe ng pagiging siksik, mataas na bilis at mababang konsumo ng kuryente, ngunit mayroon pa ring malalaking hamon upang makamit ang dynamic intensity modulation na may ultra-high extinction ratio. Kamakailan lamang, ang mga mananaliksik sa isang joint research Center for Fiber Optic Sensing sa isang unibersidad sa Tsina ay nakagawa ng isang malaking tagumpay sa larangan ng ultra-high extinction ratio electro-optical modulators sa mga silicon substrate. Batay sa high order optical filter structure, ang on-chip siliconmodulator na elektro-optikona may extinction ratio na hanggang 68 dB ang unang natanto. Ang laki at konsumo ng kuryente ay dalawang order ng magnitude na mas maliit kaysa sa tradisyonalModulator ng AOM, at ang posibilidad ng paggamit ng aparato ay napapatunayan sa sistemang DAS ng laboratoryo.

Pigura 1 Eskematikong diagram ng aparatong pangsubok para sa ultraelectro-optic modulator na may mataas na extinction ratio

Ang nakabatay sa siliconmodulator na elektro-optikalAng istrukturang nakabatay sa coupled microring filter ay katulad ng classical electrical filter. Nakakamit ng electro-optic modulator ang flat bandpass filtering at mataas na out-of-band rejection ratio (>60 dB) sa pamamagitan ng series coupling ng apat na silicon-based microring resonators. Sa tulong ng isang Pin-type electro-optical phase shifter sa bawat microring, ang transmittance spectrum ng modulator ay maaaring mabago nang malaki sa mababang inilapat na boltahe (<1.5 V). Ang mataas na out of band rejection ratio na sinamahan ng steep filter roll-down characteristic ay nagbibigay-daan sa intensity ng input light malapit sa resonant wavelength na ma-modulate na may napakalaking contrast, na lubos na nakakatulong sa produksyon ng ultra-high extinction ratio light pulses.

Upang mapatunayan ang kakayahan ng modulasyon ng electro-optic modulator, unang ipinakita ng pangkat ang pagkakaiba-iba ng transmittance ng aparato gamit ang DC voltage sa operating wavelength. Makikita na pagkatapos ng 1 V, ang transmittance ay bumaba nang husto nang mahigit 60 dB. Dahil sa limitasyon ng mga kumbensyonal na pamamaraan ng pagmamasid sa oscilloscope, ginamit ng pangkat ng pananaliksik ang self-heterodyne interference measurement method, at ginagamit ang malaking dynamic range ng spectrometer upang makilala ang ultra-high dynamic extinction ratio ng modulator habang isinasagawa ang pulse modulation. Ipinapakita ng mga resulta ng eksperimento na ang output light pulse ng modulator ay may extinction ratio na hanggang 68 dB, at ang extinction ratio na higit sa 65 dB malapit sa ilang resonant wavelength positions. Pagkatapos ng detalyadong kalkulasyon, ang aktwal na RF drive voltage na naka-load sa electrode ay humigit-kumulang 1 V, at ang modulation power consumption ay 3.6 mW lamang, na dalawang order ng magnitude na mas maliit kaysa sa kumbensyonal na AOM modulator power consumption.

Ang aplikasyon ng Silicon based electro-optic modulator sa DAS system ay maaaring ilapat sa isang direct detection DAS system sa pamamagitan ng pag-empake ng on-chip modulator. Naiiba sa pangkalahatang local-signal heterodyne interferometry, ang demodulation mode ng non-balanced Michelson interferometry ang ginagamit sa sistemang ito, kaya hindi na kailangan ang optical frequency shift effect ng modulator. Ang mga pagbabago sa phase na dulot ng sinusoidal vibration signals ay matagumpay na naibalik sa pamamagitan ng demodulation ng Rayleigh scattered signals ng 3 channels gamit ang conventional IQ demodulation algorithm. Ipinapakita ng mga resulta na ang SNR ay humigit-kumulang 56 dB. Ang distribusyon ng power spectral density sa buong haba ng sensor fiber sa hanay ng signal frequency na ±100 Hz ay ​​mas pinag-aaralan pa. Bukod sa kitang-kitang signal sa vibration position at frequency, naobserbahan na may ilang power spectral density responses sa iba pang spatial locations. Ang crosstalk noise sa hanay na ±10 Hz at sa labas ng vibration position ay na-average sa haba ng fiber, at ang average na SNR sa espasyo ay hindi bababa sa 33 dB.

Pigura 2

isang eskematiko na diagram ng optical fiber distributed acoustic sensing system.

b Demodulated na densidad ng spectral ng lakas ng signal.

c, d mga frequency ng vibration malapit sa distribusyon ng power spectral density sa kahabaan ng sensing fiber.

Ang pag-aaral na ito ang una na nakamit ang isang electro-optical modulator sa silicon na may ultra-high extinction ratio (68 dB), at matagumpay na nailapat sa mga DAS system, at ang epekto ng paggamit ng komersyal na AOM modulator ay halos kapareho, at ang laki at pagkonsumo ng kuryente ay dalawang order ng magnitude na mas maliit kaysa sa huli, na inaasahang gaganap ng mahalagang papel sa susunod na henerasyon ng miniaturized, low-power distributed fiber sensing systems. Bukod pa rito, ang malawakang proseso ng pagmamanupaktura ng CMOS at ang kakayahan sa on-chip integration ng silicon-basedmga aparatong optoelektronikoay maaaring lubos na magsulong ng pagbuo ng isang bagong henerasyon ng mababang halaga, multi-device monolithic integrated modules batay sa on-chip distributed fiber sensing systems.