En sonuncusuultra yüksek sönümleme oranına sahip elektro-optik modülatör
Çip üzerinde elektro-optik modülatörler (silikon tabanlı, trikinoid, ince film lityum niobat vb.) kompaktlık, yüksek hız ve düşük güç tüketimi avantajlarına sahip olsa da, ultra yüksek sönümleme oranına sahip dinamik yoğunluk modülasyonu elde etmek hala büyük zorluklar içermektedir. Son zamanlarda, Çin'deki bir üniversitenin Fiber Optik Algılama Ortak Araştırma Merkezi'ndeki araştırmacılar, silikon alt tabakalarda ultra yüksek sönümleme oranına sahip elektro-optik modülatörler alanında önemli bir atılım gerçekleştirdiler. Yüksek dereceli optik filtre yapısına dayanan çip üzerindeki silikon modülatörler,elektro-optik modülatör68 dB'ye kadar sönümleme oranına sahip bir ürün ilk kez gerçekleştirildi. Boyut ve güç tüketimi, geleneksel ürünlere göre iki kat daha küçüktür.AOM modülatörüCihazın uygulanabilirliği laboratuvar DAS sisteminde doğrulanmıştır.
Şekil 1. Ultra test cihazının şematik diyagramı.yüksek sönümleme oranına sahip elektro-optik modülatör
silikon bazlıelektro-optik modülatörBirleştirilmiş mikro halka filtre yapısına dayalı olan bu elektro-optik modülatör, klasik elektrik filtrelerine benzer şekilde çalışır. Dört silikon tabanlı mikro halka rezonatörün seri bağlanmasıyla düz bant geçiren filtreleme ve yüksek bant dışı reddetme oranı (>60 dB) elde edilir. Her bir mikro halkada bulunan Pin tipi elektro-optik faz kaydırıcı yardımıyla, modülatörün geçirgenlik spektrumu düşük uygulanan voltajda (<1,5 V) önemli ölçüde değiştirilebilir. Yüksek bant dışı reddetme oranı, dik filtre düşüş karakteristiğiyle birleşerek, rezonans dalga boyuna yakın giriş ışığının yoğunluğunun çok büyük bir kontrastla modüle edilmesini sağlar; bu da ultra yüksek sönümleme oranına sahip ışık darbelerinin üretimine çok elverişlidir.
Elektro-optik modülatörün modülasyon yeteneğini doğrulamak için ekip, öncelikle çalışma dalga boyunda DC voltajına bağlı olarak cihazın geçirgenliğindeki değişimi gösterdi. 1 V'tan sonra geçirgenliğin 60 dB'nin üzerinde keskin bir şekilde düştüğü görülebilir. Geleneksel osiloskop gözlem yöntemlerinin sınırlamaları nedeniyle, araştırma ekibi kendi kendine heterodin girişim ölçüm yöntemini benimsedi ve spektrometrenin geniş dinamik aralığını kullanarak darbe modülasyonu sırasında modülatörün ultra yüksek dinamik sönümleme oranını karakterize etti. Deneysel sonuçlar, modülatörün çıkış ışık darbesinin 68 dB'ye kadar sönümleme oranına ve birkaç rezonans dalga boyu konumuna yakın 65 dB'den fazla sönümleme oranına sahip olduğunu göstermektedir. Detaylı hesaplamadan sonra, elektroda uygulanan gerçek RF sürücü voltajı yaklaşık 1 V'tur ve modülasyon güç tüketimi sadece 3,6 mW'tır; bu da geleneksel AOM modülatörünün güç tüketiminden iki kat daha küçüktür.
DAS sisteminde silikon tabanlı elektro-optik modülatörün uygulaması, çip üzerinde modülatörün paketlenmesiyle doğrudan algılama 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 duyulmaz. Sinüzoidal titreşim sinyallerinin neden olduğu faz değişiklikleri, geleneksel IQ demodülasyon algoritması kullanılarak 3 kanalın Rayleigh saçılan sinyallerinin demodülasyonu ile başarıyla geri kazanılmıştır. Sonuçlar, SNR'nin yaklaşık 56 dB olduğunu göstermektedir. Sinyal frekansı ±100 Hz aralığında sensör fiberinin tüm uzunluğu boyunca güç spektral yoğunluğunun dağılımı daha ayrıntılı olarak incelenmiştir. Titreşim pozisyonunda ve frekansında belirgin sinyalin yanı sıra, diğer uzamsal konumlarda da belirli güç spektral yoğunluğu tepkileri olduğu gözlemlenmiştir. ±10 Hz aralığındaki ve titreşim konumunun dışındaki çapraz etkileşim gürültüsü, fiber boyunca ortalama alınarak hesaplanır ve uzaydaki ortalama SNR değeri 33 dB'den az değildir.
Şekil 2
Optik fiber dağıtımlı akustik algılama sisteminin şematik diyagramı.
b Demodüle edilmiş sinyal güç spektral yoğunluğu.
c, d titreşim frekansları, algılama fiberi boyunca güç spektral yoğunluğu dağılımına yakındır.
Bu çalışma, ultra yüksek sönümleme oranına (68 dB) sahip silikon üzerinde elektro-optik modülatör elde eden ilk çalışmadır ve DAS sistemlerine başarıyla uygulanmıştır. Ticari AOM modülatör kullanımına çok yakın bir etkiye sahip olup, boyut ve güç tüketimi ikincisinden iki kat daha küçüktür; bu da minyatürleştirilmiş, düşük güç tüketimli dağıtılmış fiber algılama sistemlerinin yeni neslinde önemli bir rol oynaması beklenmektedir. Ayrıca, silikon tabanlı CMOS büyük ölçekli üretim süreci ve çip üzerinde entegrasyon yeteneği de önemli avantajlar sağlamaktadır.optoelektronik cihazlarBu, çip üzerinde dağıtılmış fiber algılama sistemlerine dayalı yeni nesil düşük maliyetli, çoklu cihazlı monolitik entegre modüllerin gelişimini büyük ölçüde destekleyebilir.
Yayın tarihi: 18 Mart 2025