En son ultra yüksek sönüm oranlı elektro-optik modülatör

En sonultra yüksek sönüm oranlı elektro-optik modülatör

Yonga üstü elektro-optik modülatörler (silikon bazlı, trikinoid, ince film lityum niyobat vb.) kompaktlık, yüksek hız ve düşük güç tüketimi gibi avantajlara sahip olsa da, ultra yüksek sönüm oranına sahip dinamik yoğunluk modülasyonu elde etmenin önünde hâlâ büyük zorluklar bulunmaktadır. Son zamanlarda, Çin'deki bir üniversitenin ortak araştırma merkezi Fiber Optik Algılama'daki araştırmacılar, silikon alt tabakalar üzerinde ultra yüksek sönüm oranına sahip elektro-optik modülatörler alanında önemli bir atılım gerçekleştirdiler. Yüksek mertebeden optik filtre yapısına dayanan yonga üstü silikonelektro-optik modülatör68 dB'ye kadar sönüm oranına sahip bir sistem ilk kez hayata geçirilmiştir. Boyut ve güç tüketimi, geleneksel olanlardan iki kat daha küçüktür.AOM modülatörüve cihazın laboratuvar DAS sisteminde uygulanabilirliği doğrulanmıştır.

Şekil 1 Ultra yüksek frekanslı test cihazının şematik diyagramıyüksek sönüm oranlı elektro-optik modülatör

Silikon bazlıelektro-optik modülatörEşleştirilmiş mikro halka filtre yapısı, klasik elektriksel filtreye benzer. Elektro-optik modülatör, dört silikon tabanlı mikro halka rezonatörünün seri bağlanmasıyla düz bant geçişli filtreleme ve yüksek bant dışı red oranı (>60 dB) elde eder. Her mikro halkadaki bir Pin tipi elektro-optik faz kaydırıcı yardımıyla, modülatörün geçirgenlik spektrumu düşük bir uygulanan voltajda (<1,5 V) önemli ölçüde değiştirilebilir. Yüksek bant dışı red oranı, dik filtre aşağı yuvarlanma karakteristiğiyle birleştiğinde, rezonans dalga boyuna yakın giriş ışığının yoğunluğunun çok yüksek bir kontrastla modüle edilmesini sağlar ve bu da ultra yüksek sönüm oranlı ışık darbelerinin üretilmesine çok elverişlidir.

Elektro-optik modülatörün modülasyon kabiliyetini doğrulamak için ekip, öncelikle cihazın geçirgenliğinin çalışma dalga boyundaki DC voltajıyla değişimini gösterdi. 1 V'tan sonra geçirgenliğin 60 dB'nin üzerinde keskin bir şekilde düştüğü görülebilir. Geleneksel osiloskop gözlem yöntemlerinin sınırlamaları nedeniyle, araştırma ekibi öz-heterodin girişim ölçüm yöntemini benimsedi ve darbe modülasyonu sırasında modülatörün ultra yüksek dinamik sönüm oranını karakterize etmek için spektrometrenin geniş dinamik aralığını kullandı. Deneysel sonuçlar, modülatörün çıkış ışık darbesinin 68 dB'ye kadar bir sönüm oranına ve birkaç rezonans dalga boyu konumunun yakınında 65 dB'nin üzerinde bir sönüm oranına sahip olduğunu gösterdi. Ayrıntılı hesaplamaların ardından, elektroda yüklenen gerçek RF sürücü voltajı yaklaşık 1 V ve modülasyon güç tüketimi yalnızca 3,6 mW'tır; bu da geleneksel AOM modülatör güç tüketiminden iki büyüklük sırası daha küçüktür.

Silikon tabanlı elektro-optik modülatörün DAS sistemindeki uygulaması, yonga üstü modülatörün paketlenmesiyle doğrudan algılamalı bir DAS sistemine uygulanabilir. Genel yerel sinyal heterodin interferometrisinden farklı olarak, bu sistemde dengesiz Michelson interferometrisinin demodülasyon modu benimsenmiştir, böylece modülatörün optik frekans kayması etkisine gerek kalmaz. Sinüzoidal titreşim sinyallerinin neden olduğu faz değişimleri, geleneksel IQ demodülasyon algoritması kullanılarak 3 kanallı Rayleigh saçılım sinyallerinin demodülasyonu ile başarıyla geri yüklenir. Sonuçlar, SNR'nin yaklaşık 56 dB olduğunu göstermektedir. Sensör fiberinin tüm uzunluğu boyunca güç spektral yoğunluğunun ±100 Hz sinyal frekansı aralığındaki dağılımı daha ayrıntılı olarak incelenmiştir. Titreşim konumu ve frekansındaki belirgin sinyalin yanı sıra, diğer uzamsal konumlarda belirli güç spektral yoğunluk tepkileri olduğu gözlemlenmiştir. ±10 Hz aralığında ve titreşim konumunun dışında çapraz konuşma gürültüsü, fiberin uzunluğu boyunca ortalaması alınarak, uzaydaki ortalama SNR değeri 33 dB'den az değildir.

Şekil 2

Optik fiber dağıtılmış akustik algılama sisteminin şematik diyagramı.

b Demodüle edilmiş sinyal gücü spektral yoğunluğu.

c, d algılama fiberi boyunca güç spektral yoğunluk dağılımına yakın titreşim frekansları.

Bu çalışma, silikon üzerinde ultra yüksek sönüm oranına (68 dB) sahip bir elektro-optik modülatör elde eden ve DAS sistemlerine başarıyla uygulanan ilk çalışmadır. Ticari AOM modülatörünün etkisi oldukça benzerdir ve boyut ve güç tüketimi, ikincisinden iki kat daha küçüktür. Bu modülatörün, yeni nesil minyatürleştirilmiş, düşük güçlü dağıtılmış fiber algılama sistemlerinde önemli bir rol oynaması beklenmektedir. Ayrıca, silikon tabanlı CMOS büyük ölçekli üretim süreci ve çip içi entegrasyon kabiliyeti,optoelektronik cihazlarÇip üzerinde dağıtılmış fiber algılama sistemlerine dayalı, düşük maliyetli, çok cihazlı monolitik entegre modüllerin yeni nesil geliştirilmesini büyük ölçüde teşvik edebilir.