ตัวปรับสัญญาณไฟฟ้าเชิงแสงที่มีอัตราส่วนการลดทอนสูงเป็นพิเศษรุ่นล่าสุด

ล่าสุดตัวปรับสัญญาณอิเล็กโทรออปติกที่มีอัตราส่วนการลดทอนสูงมาก

ตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้าบนชิป (เช่น ซิลิคอน ไตรควินอยด์ ฟิล์มบางลิเธียมไนโอเบต เป็นต้น) มีข้อดีคือขนาดกะทัดรัด ความเร็วสูง และใช้พลังงานต่ำ แต่ก็ยังมีความท้าทายอย่างมากในการบรรลุการปรับความเข้มแสงแบบไดนามิกด้วยอัตราส่วนการลดทอนสูงมาก เมื่อเร็วๆ นี้ นักวิจัยจากศูนย์วิจัยร่วมด้านการตรวจจับด้วยใยแก้วนำแสงของมหาวิทยาลัยแห่งหนึ่งในประเทศจีน ได้ประสบความสำเร็จครั้งสำคัญในด้านตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้าที่มีอัตราส่วนการลดทอนสูงมากบนพื้นผิวซิลิคอน โดยอาศัยโครงสร้างตัวกรองแสงลำดับสูง ตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้าบนชิปซิลิคอนนี้จึงถูกสร้างขึ้นตัวปรับสัญญาณอิเล็กโทรออปติกนับเป็นครั้งแรกที่สามารถสร้างอัตราส่วนการลดทอนแสงได้สูงถึง 68 dB ขนาดและการใช้พลังงานลดลงกว่าแบบดั้งเดิมถึงสองเท่าตัวปรับสัญญาณ AOMและได้มีการตรวจสอบความเป็นไปได้ในการใช้งานของอุปกรณ์ในระบบ DAS ของห้องปฏิบัติการแล้ว

รูปที่ 1 แผนภาพแสดงโครงสร้างของอุปกรณ์ทดสอบสำหรับอัลตร้าตัวปรับสัญญาณอิเล็กโทรออปติกที่มีอัตราส่วนการลดทอนสูง

ซิลิคอนเป็นฐานตัวปรับสัญญาณอิเล็กโทรออปติกโครงสร้างตัวกรองไมโครริงแบบต่อกันนั้นคล้ายกับตัวกรองไฟฟ้าแบบคลาสสิก ตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้าสามารถกรองแบบแบนด์พาสราบเรียบและมีอัตราส่วนการปฏิเสธนอกย่านความถี่สูง (>60 dB) ผ่านการต่ออนุกรมของตัวเรโซเนเตอร์ไมโครริงที่ทำจากซิลิคอนสี่ตัว ด้วยความช่วยเหลือของตัวเปลี่ยนเฟสแสงไฟฟ้าแบบ Pin ในแต่ละไมโครริง สเปกตรัมการส่งผ่านของตัวปรับสัญญาณสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างมากที่แรงดันไฟฟ้าต่ำ (<1.5 V) อัตราส่วนการปฏิเสธนอกย่านความถี่สูง kết hợp กับลักษณะการลดทอนของตัวกรองที่รวดเร็ว ทำให้สามารถปรับความเข้มของแสงขาเข้าใกล้ความยาวคลื่นเรโซแนนซ์ด้วยความคมชัดที่สูงมาก ซึ่งเอื้อต่อการสร้างพัลส์แสงที่มีอัตราส่วนการลดทอนสูงมาก

เพื่อตรวจสอบความสามารถในการมอดูเลตของตัวมอดูเลตแบบอิเล็กโทรออปติก ทีมวิจัยได้สาธิตการเปลี่ยนแปลงของค่าการส่งผ่านแสงของอุปกรณ์ด้วยแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่ความยาวคลื่นใช้งาน พบว่าหลังจาก 1 โวลต์ ค่าการส่งผ่านแสงลดลงอย่างรวดเร็วกว่า 60 เดซิเบล เนื่องจากข้อจำกัดของวิธีการสังเกตด้วยออสซิลโลสโคปแบบดั้งเดิม ทีมวิจัยจึงใช้วิธีการวัดการรบกวนแบบเฮเทอโรไดน์ในตัวเอง และใช้ช่วงไดนามิกขนาดใหญ่ของสเปกโทรเมตรในการวัดอัตราส่วนการลดทอนแบบไดนามิกที่สูงมากของตัวมอดูเลตในระหว่างการมอดูเลตแบบพัลส์ ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าพัลส์แสงเอาต์พุตของตัวมอดูเลตมีอัตราส่วนการลดทอนสูงถึง 68 เดซิเบล และมีอัตราส่วนการลดทอนมากกว่า 65 เดซิเบลใกล้กับตำแหน่งความยาวคลื่นเรโซแนนซ์หลายตำแหน่ง หลังจากการคำนวณอย่างละเอียด แรงดันไฟฟ้าขับ RF จริงที่ป้อนเข้าอิเล็กโทรดอยู่ที่ประมาณ 1 โวลต์ และการใช้พลังงานในการมอดูเลตเพียง 3.6 มิลลิวัตต์ ซึ่งน้อยกว่าการใช้พลังงานของตัวมอดูเลต AOM แบบดั้งเดิมถึงสองลำดับ

การประยุกต์ใช้ตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้าบนซิลิคอนในระบบ DAS สามารถนำไปใช้กับระบบ DAS แบบตรวจจับโดยตรงได้โดยการบรรจุตัวปรับสัญญาณไว้บนชิป แตกต่างจากการแทรกสอดแบบเฮเทอโรไดน์สัญญาณเฉพาะที่ทั่วไป ระบบนี้ใช้โหมดการถอดรหัสแบบการแทรกสอดแบบมิเชลสันที่ไม่สมดุล ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้ผลกระทบจากการเลื่อนความถี่แสงของตัวปรับสัญญาณ การเปลี่ยนแปลงเฟสที่เกิดจากสัญญาณการสั่นแบบไซน์ถูกกู้คืนได้สำเร็จโดยการถอดรหัสสัญญาณกระเจิงแบบเรย์ลีของ 3 ช่องสัญญาณโดยใช้อัลกอริธึมการถอดรหัส IQ แบบดั้งเดิม ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่า SNR อยู่ที่ประมาณ 56 dB มีการตรวจสอบการกระจายความหนาแน่นสเปกตรัมกำลังตามความยาวทั้งหมดของเส้นใยเซนเซอร์ในช่วงความถี่สัญญาณ ±100 Hz เพิ่มเติม นอกจากสัญญาณที่เด่นชัดที่ตำแหน่งและความถี่ของการสั่นแล้ว ยังพบว่ามีการตอบสนองความหนาแน่นสเปกตรัมกำลังบางอย่างที่ตำแหน่งเชิงพื้นที่อื่นๆ ด้วย สัญญาณรบกวนแบบครอสทอล์กในช่วง ±10 เฮิรตซ์ และนอกตำแหน่งการสั่นสะเทือนจะถูกหาค่าเฉลี่ยตลอดความยาวของเส้นใย และอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนเฉลี่ยในพื้นที่ต้องไม่น้อยกว่า 33 เดซิเบล

รูปที่ 2

แผนภาพแสดงระบบตรวจจับเสียงแบบกระจายด้วยใยแก้วนำแสง

b. ความหนาแน่นสเปกตรัมกำลังของสัญญาณที่ถอดรหัสแล้ว

c, d คือความถี่การสั่นสะเทือนใกล้กับการกระจายความหนาแน่นสเปกตรัมกำลังตามแนวเส้นใยรับรู้

งานวิจัยนี้เป็นครั้งแรกที่สามารถสร้างตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้าบนซิลิคอนที่มีอัตราส่วนการลดทอนสูงมาก (68 dB) และนำไปประยุกต์ใช้กับระบบ DAS ได้สำเร็จ โดยผลลัพธ์ใกล้เคียงกับการใช้ตัวปรับสัญญาณ AOM เชิงพาณิชย์ และขนาดและการใช้พลังงานน้อยกว่าถึงสองเท่า ซึ่งคาดว่าจะมีบทบาทสำคัญในระบบตรวจจับใยแก้วนำแสงแบบกระจายขนาดเล็กและใช้พลังงานต่ำรุ่นต่อไป นอกจากนี้ กระบวนการผลิต CMOS ขนาดใหญ่และความสามารถในการรวมวงจรบนชิปของซิลิคอนยังเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติกสามารถส่งเสริมการพัฒนาโมดูลรวมแบบโมโนลิธิกหลายอุปกรณ์ราคาประหยัดรุ่นใหม่โดยอาศัยระบบตรวจจับใยแก้วนำแสงแบบกระจายบนชิปได้อย่างมาก