เครื่องปรับคลื่นไฟฟ้าออปติกที่มีอัตราการดับแสงสูงสุดล่าสุด

ล่าสุดตัวปรับแสงไฟฟ้าที่มีอัตราการดับสูญที่สูงมาก

ตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้าแบบออนชิป (แบบซิลิคอน, ไตรควิโนด์, ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง ฯลฯ) มีข้อได้เปรียบในด้านความกะทัดรัด ความเร็วสูง และการใช้พลังงานต่ำ แต่ยังคงมีความท้าทายอย่างมากในการบรรลุการปรับความเข้มแบบไดนามิกที่มีอัตราการสูญพันธุ์สูงมาก เมื่อเร็วๆ นี้ นักวิจัยจากศูนย์วิจัยร่วมด้านการตรวจจับด้วยไฟเบอร์ออปติกแห่งมหาวิทยาลัยแห่งหนึ่งในประเทศจีน ได้ค้นพบความก้าวหน้าครั้งสำคัญในสาขาตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้าแบบออนชิปที่มีอัตราการสูญพันธุ์สูงมากบนแผ่นซิลิคอน ซิลิคอนออนชิปมีโครงสร้างตัวกรองแสงลำดับสูงตัวปรับแสงไฟฟ้าด้วยอัตราการดับสัญญาณสูงสุดถึง 68 เดซิเบล เป็นครั้งแรก ขนาดและการใช้พลังงานมีขนาดเล็กกว่าแบบดั้งเดิมถึงสองเท่าโมดูเลเตอร์ AOMและตรวจสอบความเป็นไปได้ในการใช้งานอุปกรณ์ในระบบ DAS ในห้องปฏิบัติการ

รูปที่ 1 แผนผังของอุปกรณ์ทดสอบสำหรับอัลตร้าตัวปรับแสงไฟฟ้าที่มีอัตราการดับสูญสูง

ซิลิคอนที่ใช้เป็นฐานตัวปรับแสงไฟฟ้าโครงสร้างตัวกรองไมโครริงแบบคู่ขนานนี้คล้ายคลึงกับตัวกรองไฟฟ้าแบบคลาสสิก ตัวปรับสัญญาณไฟฟ้า-ออปติกสามารถกรองแบนด์พาสแบบแบนด์พาสและอัตราการปฏิเสธสัญญาณนอกแบนด์สูง (>60 เดซิเบล) ผ่านการเชื่อมต่อแบบอนุกรมของเรโซเนเตอร์ไมโครริงแบบซิลิกอนสี่ตัว ด้วยตัวเลื่อนเฟสไฟฟ้า-ออปติกแบบพินในไมโครริงแต่ละตัว สเปกตรัมการส่งผ่านของตัวปรับสัญญาณสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างมีนัยสำคัญที่แรงดันไฟฟ้าต่ำ (<1.5 โวลต์) อัตราการปฏิเสธสัญญาณนอกแบนด์ที่สูง ประกอบกับคุณสมบัติการม้วนลงของตัวกรองแบบชัน ช่วยให้สามารถปรับความเข้มของแสงอินพุตใกล้ความยาวคลื่นเรโซแนนซ์ให้มีคอนทราสต์สูงมาก ซึ่งเอื้อต่อการสร้างพัลส์แสงที่มีอัตราการปฏิเสธสัญญาณสูงเป็นพิเศษ

เพื่อยืนยันความสามารถในการมอดูเลตของมอดูเลเตอร์แบบอิเล็กโทรออปติก ทีมงานได้สาธิตการเปลี่ยนแปลงของค่าการส่งผ่านของอุปกรณ์กับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่ความยาวคลื่นใช้งาน จะเห็นได้ว่าหลังจาก 1 โวลต์ ค่าการส่งผ่านจะลดลงอย่างรวดเร็วมากกว่า 60 เดซิเบล เนื่องจากข้อจำกัดของวิธีการสังเกตออสซิลโลสโคปแบบเดิม ทีมวิจัยจึงใช้วิธีการวัดการรบกวนแบบเฮเทอโรไดน์ด้วยตนเอง และใช้ช่วงไดนามิกเรนจ์ที่กว้างของเครื่องสเปกโตรมิเตอร์เพื่อระบุอัตราส่วนการสูญเสียไดนามิกที่สูงมากของมอดูเลเตอร์ในระหว่างการมอดูเลตแบบพัลส์ ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าพัลส์แสงเอาต์พุตของมอดูเลเตอร์มีอัตราส่วนการสูญเสียสูงถึง 68 เดซิเบล และอัตราส่วนการสูญเสียมากกว่า 65 เดซิเบลที่ตำแหน่งความยาวคลื่นเรโซแนนซ์หลายตำแหน่ง หลังจากการคำนวณอย่างละเอียด แรงดันไฟฟ้าไดรฟ์ RF จริงที่โหลดไปยังอิเล็กโทรดอยู่ที่ประมาณ 1 โวลต์ และการใช้พลังงานในการมอดูเลตอยู่ที่เพียง 3.6 มิลลิวัตต์ ซึ่งน้อยกว่าการใช้พลังงานของมอดูเลเตอร์ AOM แบบเดิมถึงสองลำดับความสำคัญ

การประยุกต์ใช้โมดูเลเตอร์อิเล็กโทรออปติกที่ใช้ซิลิคอนในระบบ DAS สามารถนำไปใช้กับระบบ DAS แบบตรวจจับโดยตรงได้โดยการบรรจุโมดูเลเตอร์บนชิป แตกต่างจากอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์เฮเทอโรไดน์แบบสัญญาณเฉพาะที่ทั่วไป ระบบนี้ใช้โหมดดีมอดูเลชันของอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ไมเคิลสันแบบไม่สมดุล ทำให้ไม่จำเป็นต้องเกิดผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงความถี่แสงของโมดูเลเตอร์ การเปลี่ยนเฟสที่เกิดจากสัญญาณสั่นสะเทือนแบบไซน์สามารถเรียกคืนได้สำเร็จโดยการดีมอดูเลชันสัญญาณที่กระเจิงเรย์ลีห์ 3 ช่องสัญญาณ โดยใช้อัลกอริทึมดีมอดูเลชัน IQ ทั่วไป ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าค่า SNR อยู่ที่ประมาณ 56 เดซิเบล การกระจายตัวของความหนาแน่นสเปกตรัมกำลังตลอดความยาวทั้งหมดของเส้นใยเซ็นเซอร์ในช่วงความถี่สัญญาณ ±100 เฮิรตซ์ ยังได้รับการศึกษาเพิ่มเติม นอกจากสัญญาณที่เด่นชัดที่ตำแหน่งและความถี่การสั่นสะเทือนแล้ว ยังพบว่ามีการตอบสนองความหนาแน่นสเปกตรัมกำลังบางอย่างที่ตำแหน่งเชิงพื้นที่อื่นๆ ด้วย สัญญาณรบกวนครอสทอล์คในช่วง ±10 Hz และอยู่นอกตำแหน่งการสั่นสะเทือนจะถูกเฉลี่ยตามความยาวของไฟเบอร์ และค่า SNR เฉลี่ยในอวกาศไม่น้อยกว่า 33 dB

รูปที่ 2

แผนผังของระบบตรวจจับเสียงแบบกระจายด้วยเส้นใยแก้วนำแสง

b ความหนาแน่นสเปกตรัมของกำลังสัญญาณที่ถอดรหัสแล้ว

c, d ความถี่การสั่นสะเทือนใกล้กับการกระจายความหนาแน่นสเปกตรัมกำลังตามแนวเส้นใยตรวจจับ

การศึกษาครั้งนี้เป็นการศึกษาครั้งแรกที่ประสบความสำเร็จในการสร้างโมดูเลเตอร์ไฟฟ้าออปติกบนซิลิคอนที่มีอัตราส่วนการสูญเสียสัญญาณที่สูงมาก (68 เดซิเบล) และนำไปประยุกต์ใช้กับระบบ DAS ได้สำเร็จ โดยผลของการใช้โมดูเลเตอร์ AOM เชิงพาณิชย์นั้นใกล้เคียงกันมาก ขนาดและการใช้พลังงานน้อยกว่าโมดูเลเตอร์ AOM ทั่วไปถึงสองเท่า ซึ่งคาดว่าจะมีบทบาทสำคัญในระบบตรวจจับไฟเบอร์แบบกระจายขนาดเล็กที่ใช้พลังงานต่ำรุ่นต่อไป นอกจากนี้ กระบวนการผลิต CMOS ขนาดใหญ่และความสามารถในการผสานรวมบนชิปของซิลิคอนอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์สามารถส่งเสริมการพัฒนาโมดูลโมโนลิธิกแบบบูรณาการแบบหลายอุปกรณ์ต้นทุนต่ำรุ่นใหม่ที่ใช้ระบบตรวจจับไฟเบอร์แบบกระจายบนชิปได้อย่างมาก