Ο τελευταίος ηλεκτροοπτικός διαμορφωτής εξαιρετικά υψηλού λόγου απόσβεσης

Το τελευταίοηλεκτροοπτικός διαμορφωτής εξαιρετικά υψηλού λόγου απόσβεσης

Οι ηλεκτροοπτικοί διαμορφωτές ενσωματωμένοι στο τσιπ (με βάση το πυρίτιο, τρικινοειδή, νιοβικό λίθιο λεπτής μεμβράνης, κ.λπ.) έχουν τα πλεονεκτήματα της συμπαγούς κατασκευής, της υψηλής ταχύτητας και της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας, αλλά εξακολουθούν να υπάρχουν μεγάλες προκλήσεις για την επίτευξη δυναμικής διαμόρφωσης έντασης με εξαιρετικά υψηλό λόγο απόσβεσης. Πρόσφατα, ερευνητές σε ένα κοινό ερευνητικό κέντρο για την ανίχνευση οπτικών ινών σε ένα κινεζικό πανεπιστήμιο σημείωσαν μια σημαντική ανακάλυψη στον τομέα των ηλεκτροοπτικών διαμορφωτών εξαιρετικά υψηλού λόγου απόσβεσης σε υποστρώματα πυριτίου. Με βάση τη δομή οπτικού φίλτρου υψηλής τάξης, το ενσωματωμένο πυρίτιο...ηλεκτροοπτικός διαμορφωτήςμε λόγο απόσβεσης έως και 68 dB πραγματοποιείται για πρώτη φορά. Το μέγεθος και η κατανάλωση ενέργειας είναι δύο τάξεις μεγέθους μικρότερα από αυτά των παραδοσιακώνΔιαμορφωτής AOM, και η σκοπιμότητα εφαρμογής της συσκευής επαληθεύεται στο εργαστηριακό σύστημα DAS.

Σχήμα 1 Σχηματικό διάγραμμα της συσκευής δοκιμής για υπερήχουςηλεκτροοπτικός διαμορφωτής υψηλού λόγου απόσβεσης

Το με βάση το πυρίτιοηλεκτροοπτικός διαμορφωτήςΒασισμένο στη δομή του συζευγμένου φίλτρου μικροδακτυλίων, είναι παρόμοιο με το κλασικό ηλεκτρικό φίλτρο. Ο ηλεκτροοπτικός διαμορφωτής επιτυγχάνει επίπεδο φιλτράρισμα ζώνης διέλευσης και υψηλό λόγο απόρριψης εκτός ζώνης (>60 dB) μέσω της σειριακής σύζευξης τεσσάρων συντονιστών μικροδακτυλίων με βάση το πυρίτιο. Με τη βοήθεια ενός ηλεκτροοπτικού μετατοπιστή φάσης τύπου Pin σε κάθε μικροδακτύλιο, το φάσμα διαπερατότητας του διαμορφωτή μπορεί να αλλάξει σημαντικά σε χαμηλή εφαρμοζόμενη τάση (<1,5 V). Ο υψηλός λόγος απόρριψης εκτός ζώνης σε συνδυασμό με το χαρακτηριστικό απότομης κύλισης του φίλτρου επιτρέπει τη διαμόρφωση της έντασης του φωτός εισόδου κοντά στο μήκος κύματος συντονισμού με πολύ μεγάλη αντίθεση, η οποία ευνοεί την παραγωγή παλμών φωτός εξαιρετικά υψηλού λόγου απόσβεσης.

Για να επαληθεύσει την ικανότητα διαμόρφωσης του ηλεκτροοπτικού διαμορφωτή, η ομάδα κατέδειξε πρώτα την μεταβολή της διαπερατότητας της συσκευής με την τάση DC στο μήκος κύματος λειτουργίας. Μπορεί να φανεί ότι μετά από 1 V, η διαπερατότητα μειώνεται απότομα πάνω από 60 dB. Λόγω του περιορισμού των συμβατικών μεθόδων παρατήρησης παλμογράφου, η ερευνητική ομάδα υιοθετεί τη μέθοδο μέτρησης αυτοετερόδυνης παρεμβολής και χρησιμοποιεί το μεγάλο δυναμικό εύρος του φασματόμετρου για να χαρακτηρίσει τον εξαιρετικά υψηλό λόγο δυναμικής απόσβεσης του διαμορφωτή κατά τη διαμόρφωση παλμών. Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι ο παλμός φωτός εξόδου του διαμορφωτή έχει λόγο απόσβεσης έως 68 dB και λόγο απόσβεσης μεγαλύτερο από 65 dB κοντά σε αρκετές θέσεις μήκους κύματος συντονισμού. Μετά από λεπτομερή υπολογισμό, η πραγματική τάση οδήγησης RF που φορτώνεται στο ηλεκτρόδιο είναι περίπου 1 V και η κατανάλωση ισχύος διαμόρφωσης είναι μόνο 3,6 mW, η οποία είναι δύο τάξεις μεγέθους μικρότερη από την κατανάλωση ισχύος του συμβατικού διαμορφωτή AOM.

Η εφαρμογή ηλεκτροοπτικού διαμορφωτή με βάση το πυρίτιο σε σύστημα DAS μπορεί να εφαρμοστεί σε ένα σύστημα DAS άμεσης ανίχνευσης με τη συσκευασία του διαμορφωτή στο τσιπ. Σε αντίθεση με τη γενική ετερόδυνη συμβολομετρία τοπικού σήματος, σε αυτό το σύστημα υιοθετείται η λειτουργία αποδιαμόρφωσης της μη ισορροπημένης συμβολομετρίας Michelson, έτσι ώστε να μην απαιτείται το φαινόμενο οπτικής μετατόπισης συχνότητας του διαμορφωτή. Οι αλλαγές φάσης που προκαλούνται από τα σήματα ημιτονοειδών δονήσεων αποκαθίστανται με επιτυχία με αποδιαμόρφωση σκεδασμένων σημάτων Rayleigh 3 καναλιών χρησιμοποιώντας τον συμβατικό αλγόριθμο αποδιαμόρφωσης IQ. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το SNR είναι περίπου 56 dB. Η κατανομή της φασματικής πυκνότητας ισχύος σε όλο το μήκος της οπτικής ίνας αισθητήρα στην περιοχή συχνότητας σήματος ±100 Hz διερευνάται περαιτέρω. Εκτός από το εμφανές σήμα στη θέση και τη συχνότητα δόνησης, παρατηρείται ότι υπάρχουν ορισμένες αποκρίσεις φασματικής πυκνότητας ισχύος σε άλλες χωρικές θέσεις. Ο θόρυβος διασταυρούμενης ομιλίας στην περιοχή ±10 Hz και εκτός της θέσης δόνησης υπολογίζεται κατά μέσο όρο κατά μήκος της οπτικής ίνας και το μέσο SNR στο χώρο δεν είναι μικρότερο από 33 dB.

Σχήμα 2

Σχηματικό διάγραμμα κατανεμημένου ακουστικού συστήματος ανίχνευσης οπτικών ινών.

β Φασματική πυκνότητα ισχύος αποδιαμορφωμένου σήματος.

c, d συχνότητες δόνησης κοντά στην κατανομή φασματικής πυκνότητας ισχύος κατά μήκος της οπτικής ίνας ανίχνευσης.

Αυτή η μελέτη είναι η πρώτη που επιτυγχάνει έναν ηλεκτροοπτικό διαμορφωτή σε πυρίτιο με εξαιρετικά υψηλό λόγο απόσβεσης (68 dB) και εφαρμόζεται με επιτυχία σε συστήματα DAS, και το αποτέλεσμα της χρήσης εμπορικού διαμορφωτή AOM είναι πολύ κοντά, και το μέγεθος και η κατανάλωση ενέργειας είναι δύο τάξεις μεγέθους μικρότερα από το τελευταίο, το οποίο αναμένεται να διαδραματίσει βασικό ρόλο στην επόμενη γενιά μικροσκοπικών, χαμηλής ισχύος κατανεμημένων συστημάτων ανίχνευσης οπτικών ινών. Επιπλέον, η διαδικασία κατασκευής μεγάλης κλίμακας CMOS και η δυνατότητα ενσωμάτωσης σε τσιπ των συστημάτων που βασίζονται σε πυρίτιο...οπτοηλεκτρονικές συσκευέςμπορεί να προωθήσει σε μεγάλο βαθμό την ανάπτυξη μιας νέας γενιάς χαμηλού κόστους, πολλαπλών συσκευών μονολιθικών ολοκληρωμένων μονάδων που βασίζονται σε κατανεμημένα συστήματα ανίχνευσης οπτικών ινών σε τσιπ.