โมดูเลเตอร์ออปติกไฟฟ้าที่มีอัตราการดับสูงสุดล่าสุด

ใหม่ล่าสุดโมดูเลเตอร์ออปติกอิเล็กโทรดที่มีอัตราการดับสูญที่สูงเป็นพิเศษ

ตัวปรับแสงไฟฟ้าแบบออนชิป (แบบซิลิกอน ไตรควิโนอิด ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง ฯลฯ) มีข้อดีคือความกะทัดรัด ความเร็วสูง และการใช้พลังงานต่ำ แต่ยังคงมีความท้าทายอย่างมากในการบรรลุการปรับความเข้มแบบไดนามิกด้วยอัตราส่วนการสูญเสียพลังงานที่สูงเป็นพิเศษ เมื่อไม่นานนี้ นักวิจัยจากศูนย์วิจัยร่วมด้านการตรวจจับไฟเบอร์ออปติกที่มหาวิทยาลัยแห่งหนึ่งในจีนได้ประสบความสำเร็จครั้งสำคัญในสาขาตัวปรับแสงไฟฟ้าแบบออนชิปที่มีอัตราส่วนการสูญเสียพลังงานที่สูงเป็นพิเศษบนซับสเตรตซิลิกอน โดยอาศัยโครงสร้างตัวกรองแสงลำดับสูง ซิลิกอนออนชิปเครื่องปรับคลื่นแสงไฟฟ้าด้วยอัตราการดับไฟสูงสุดถึง 68 เดซิเบล ซึ่งเกิดขึ้นเป็นครั้งแรก ขนาดและการใช้พลังงานมีขนาดเล็กกว่าแบบดั้งเดิมถึงสองเท่าโมดูเลเตอร์ AOMและตรวจสอบความเป็นไปได้ในการใช้งานอุปกรณ์ได้ในระบบ DAS ในห้องปฏิบัติการ

รูปที่ 1 แผนผังของอุปกรณ์ทดสอบสำหรับอุลตร้าโมดูเลเตอร์ออปติกอิเล็กโทรดที่มีอัตราการดับไฟสูง

ซิลิกอนที่เป็นฐานตัวปรับแสงไฟฟ้าโครงสร้างตัวกรองไมโครริงแบบคู่กันนั้นคล้ายกับตัวกรองไฟฟ้าแบบคลาสสิก ตัวปรับสัญญาณแบบออปติกไฟฟ้าสามารถกรองแบนด์พาสแบบแบนและอัตราการปฏิเสธนอกแบนด์สูง (>60 dB) ผ่านการจับคู่แบบอนุกรมของตัวสะท้อนไมโครริงที่ใช้ซิลิกอนสี่ตัว ด้วยความช่วยเหลือของตัวเปลี่ยนเฟสแบบออปติกไฟฟ้าแบบพินในไมโครริงแต่ละตัว สเปกตรัมการส่งผ่านของตัวปรับสัญญาณสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างมีนัยสำคัญที่แรงดันไฟฟ้าที่ใช้ต่ำ (<1.5 V) อัตราส่วนการปฏิเสธนอกแบนด์ที่สูงรวมกับลักษณะการม้วนลงของตัวกรองแบบชันทำให้สามารถปรับความเข้มของแสงอินพุตใกล้ความยาวคลื่นเรโซแนนซ์ด้วยคอนทราสต์ที่สูงมาก ซึ่งเอื้อต่อการผลิตพัลส์แสงที่มีอัตราการสูญพันธุ์สูงมาก

เพื่อตรวจสอบความสามารถในการมอดูเลตของมอดูเลตแบบอิเล็กโทรออปติก ทีมงานได้สาธิตการเปลี่ยนแปลงของการส่งผ่านของอุปกรณ์ด้วยแรงดันไฟฟ้า DC ที่ความยาวคลื่นการทำงานก่อน จะเห็นได้ว่าหลังจาก 1 V การส่งผ่านจะลดลงอย่างรวดเร็วมากกว่า 60 dB เนื่องจากข้อจำกัดของวิธีการสังเกตออสซิลโลสโคปแบบเดิม ทีมวิจัยจึงใช้วิธีการวัดการรบกวนแบบเฮเทอโรไดนด้วยตนเอง และใช้ช่วงไดนามิกขนาดใหญ่ของสเปกโตรมิเตอร์เพื่อกำหนดลักษณะอัตราส่วนการสูญเสียแบบไดนามิกที่สูงเป็นพิเศษของมอดูเลตระหว่างการมอดูเลตพัลส์ ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าพัลส์แสงเอาต์พุตของมอดูเลตมีอัตราส่วนการสูญเสียสูงถึง 68 dB และอัตราส่วนการสูญเสียมากกว่า 65 dB ใกล้ตำแหน่งความยาวคลื่นเรโซแนนซ์หลายตำแหน่ง หลังจากการคำนวณโดยละเอียด แรงดันไฟฟ้าไดรฟ์ RF จริงที่โหลดไปยังอิเล็กโทรดอยู่ที่ประมาณ 1 V และการใช้พลังงานในการมอดูเลตอยู่ที่ 3.6 mW เท่านั้น ซึ่งน้อยกว่าการใช้พลังงานของมอดูเลต AOM แบบเดิมถึงสองลำดับ

การประยุกต์ใช้โมดูเลเตอร์อิเล็กโทรออปติกที่ใช้ซิลิกอนในระบบ DAS สามารถนำไปใช้กับระบบ DAS ที่ตรวจจับโดยตรงได้โดยการบรรจุโมดูเลเตอร์บนชิป แตกต่างจากอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์เฮเทอโรไดน์สัญญาณท้องถิ่นทั่วไป โหมดดีมอดูเลชั่นของอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ไมเคิลสันที่ไม่สมดุลถูกนำมาใช้ในระบบนี้ ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องมีเอฟเฟกต์การเลื่อนความถี่แสงของโมดูเลเตอร์ การเปลี่ยนแปลงเฟสที่เกิดจากสัญญาณการสั่นแบบไซน์จะได้รับการฟื้นคืนอย่างประสบความสำเร็จโดยการดีมอดูเลชั่นสัญญาณที่กระจัดกระจายของเรย์ลีห์จาก 3 ช่องสัญญาณโดยใช้อัลกอริทึมดีมอดูเลชั่น IQ ทั่วไป ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่า SNR อยู่ที่ประมาณ 56 dB การกระจายของความหนาแน่นสเปกตรัมกำลังตลอดความยาวทั้งหมดของไฟเบอร์เซ็นเซอร์ในช่วงความถี่สัญญาณ ±100 Hz ได้รับการศึกษาเพิ่มเติม นอกจากสัญญาณที่โดดเด่นในตำแหน่งและความถี่ของการสั่นแล้ว ยังสังเกตได้ว่ามีการตอบสนองความหนาแน่นสเปกตรัมกำลังบางอย่างที่ตำแหน่งเชิงพื้นที่อื่นๆ สัญญาณรบกวนระหว่างสัญญาณในช่วง ±10 Hz และอยู่นอกตำแหน่งการสั่นสะเทือนจะถูกเฉลี่ยตามความยาวของไฟเบอร์ และค่า SNR เฉลี่ยในอวกาศไม่น้อยกว่า 33 dB

รูปที่ 2

แผนผังของระบบการตรวจจับเสียงแบบกระจายผ่านเส้นใยแก้วนำแสง

b ความหนาแน่นสเปกตรัมของกำลังสัญญาณที่ถอดรหัสแล้ว

c, d ความถี่การสั่นสะเทือนใกล้การกระจายความหนาแน่นสเปกตรัมกำลังตามเส้นใยตรวจจับ

การศึกษาครั้งนี้เป็นการศึกษาครั้งแรกที่ประสบความสำเร็จในการสร้างโมดูเลเตอร์ออปติกไฟฟ้าบนซิลิกอนที่มีอัตราส่วนการสูญเสียพลังงานสูงมาก (68 เดซิเบล) และนำไปใช้กับระบบ DAS ได้สำเร็จ โดยผลของการใช้โมดูเลเตอร์ AOM เชิงพาณิชย์นั้นใกล้เคียงกันมาก และขนาดและการใช้พลังงานนั้นเล็กกว่าโมดูเลเตอร์ AOM เชิงพาณิชย์ถึงสองลำดับ ซึ่งคาดว่าจะมีบทบาทสำคัญในระบบตรวจจับไฟเบอร์แบบกระจายขนาดเล็กที่ใช้พลังงานต่ำรุ่นต่อไป นอกจากนี้ กระบวนการผลิต CMOS ขนาดใหญ่และความสามารถในการรวมเข้ากับชิปของซิลิกอนอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์สามารถส่งเสริมการพัฒนาโมดูลรวมโมโนลิธิกแบบหลายอุปกรณ์ต้นทุนต่ำรุ่นใหม่ที่ใช้ระบบตรวจจับไฟเบอร์แบบกระจายบนชิปได้อย่างมาก