جدیدترینمدولاتور الکترواپتیکی با نسبت خاموشی فوق‌العاده بالا
مدولاتورهای الکترواپتیکی روی تراشه (مبتنی بر سیلیکون، تری‌کوینوئید، لایه نازک لیتیوم نیوبات و غیره) از مزایای فشردگی، سرعت بالا و مصرف توان پایین برخوردارند، اما هنوز چالش‌های بزرگی برای دستیابی به مدولاسیون شدت پویا با نسبت خاموشی فوق‌العاده بالا وجود دارد. اخیراً، محققان در یک مرکز تحقیقاتی مشترک برای حسگری فیبر نوری در یک دانشگاه چینی به موفقیت بزرگی در زمینه مدولاتورهای الکترواپتیکی با نسبت خاموشی فوق‌العاده بالا روی زیرلایه‌های سیلیکونی دست یافته‌اند. بر اساس ساختار فیلتر نوری مرتبه بالا، سیلیکون روی تراشهمدولاتور الکترواپتیکیبا نسبت انقراض تا ۶۸ دسی‌بل برای اولین بار محقق می‌شود. اندازه و مصرف برق دو مرتبه کوچکتر از نمونه‌های سنتی است.مدولاتور AOMو امکان‌سنجی کاربرد دستگاه در سیستم DAS آزمایشگاهی تأیید شده است.
شکل 1 نمودار شماتیک دستگاه آزمایش برای فوق العادهمدولاتور الکترواپتیکی با نسبت انقراض بالا
مبتنی بر سیلیکونمدولاتور الکترواپتیکیبر اساس ساختار فیلتر میکروحلقه کوپل شده، شبیه به فیلتر الکتریکی کلاسیک است. مدولاتور الکترواپتیکی از طریق کوپل سری چهار تشدیدگر میکروحلقه مبتنی بر سیلیکون، به فیلترینگ میان‌گذر مسطح و نسبت حذف خارج از باند بالا (>60 دسی‌بل) دست می‌یابد. با کمک یک شیفت‌دهنده فاز الکترواپتیکی نوع پین در هر میکروحلقه، طیف عبور مدولاتور را می‌توان در ولتاژ اعمالی پایین (<1.5 ولت) به طور قابل توجهی تغییر داد. نسبت حذف خارج از باند بالا همراه با ویژگی شیب تند رو به پایین فیلتر، امکان مدوله شدن شدت نور ورودی نزدیک به طول موج رزونانس را با کنتراست بسیار بالا فراهم می‌کند که برای تولید پالس‌های نوری با نسبت انقراض فوق‌العاده بالا بسیار مفید است.
برای تأیید قابلیت مدولاسیون مدولاتور الکترواپتیکی، تیم ابتدا تغییرات عبوردهی دستگاه را با ولتاژ DC در طول موج عملیاتی نشان داد. مشاهده می‌شود که پس از 1 ولت، عبوردهی به شدت بیش از 60 دسی‌بل کاهش می‌یابد. با توجه به محدودیت روش‌های مشاهده اسیلوسکوپ مرسوم، تیم تحقیقاتی روش اندازه‌گیری تداخل خود-هترودین را اتخاذ کرده و از محدوده دینامیکی وسیع طیف‌سنج برای توصیف نسبت خاموشی دینامیکی فوق‌العاده بالای مدولاتور در طول مدولاسیون پالس استفاده می‌کند. نتایج تجربی نشان می‌دهد که پالس نور خروجی مدولاتور دارای نسبت خاموشی تا 68 دسی‌بل و نسبت خاموشی بیش از 65 دسی‌بل در نزدیکی چندین موقعیت طول موج رزونانس است. پس از محاسبه دقیق، ولتاژ واقعی درایو RF بارگذاری شده روی الکترود حدود 1 ولت است و مصرف توان مدولاسیون تنها 3.6 میلی‌وات است که دو مرتبه کوچکتر از مصرف توان مدولاتور AOM مرسوم است.
کاربرد مدولاتور الکترواپتیکی مبتنی بر سیلیکون در سیستم DAS را می‌توان با بسته‌بندی مدولاتور روی تراشه، در یک سیستم DAS تشخیص مستقیم اعمال کرد. برخلاف تداخل‌سنجی هترودین سیگنال محلی عمومی، در این سیستم از حالت دمدولاسیون تداخل‌سنجی مایکلسون غیرمتعادل استفاده می‌شود، به طوری که اثر تغییر فرکانس نوری مدولاتور مورد نیاز نیست. تغییرات فاز ناشی از سیگنال‌های ارتعاش سینوسی با دمدولاسیون سیگنال‌های پراکنده ریلی از 3 کانال با استفاده از الگوریتم دمدولاسیون IQ مرسوم با موفقیت بازیابی می‌شوند. نتایج نشان می‌دهد که SNR حدود 56 دسی‌بل است. توزیع چگالی طیفی توان در کل طول فیبر حسگر در محدوده فرکانس سیگنال ±100 هرتز بیشتر بررسی شده است. علاوه بر سیگنال برجسته در موقعیت و فرکانس ارتعاش، مشاهده می‌شود که پاسخ‌های چگالی طیفی توان خاصی در سایر مکان‌های مکانی وجود دارد. نویز تداخل در محدوده ±10 هرتز و خارج از موقعیت ارتعاش در طول فیبر به طور متوسط محاسبه می‌شود و میانگین SNR در فضا کمتر از 33 دسی‌بل نیست.
شکل ۲
نمودار شماتیک سیستم حسگر صوتی توزیع‌شده با فیبر نوری.
ب) چگالی طیفی توان سیگنال دمدوله شده.
ج، د فرکانس‌های ارتعاش نزدیک توزیع چگالی طیفی توان در امتداد فیبر حسگر.
این مطالعه اولین مطالعه‌ای است که به یک مدولاتور الکترواپتیکی روی سیلیکون با نسبت خاموشی فوق‌العاده بالا (68 دسی‌بل) دست یافته و با موفقیت در سیستم‌های DAS به کار گرفته شده است و تأثیر استفاده از مدولاتور AOM تجاری بسیار نزدیک به آن است و اندازه و مصرف برق آن دو مرتبه کوچکتر از دومی است که انتظار می‌رود نقش کلیدی در نسل بعدی سیستم‌های حسگر فیبر توزیع‌شده کوچک و کم‌مصرف ایفا کند. علاوه بر این، فرآیند تولید CMOS در مقیاس بزرگ و قابلیت ادغام روی تراشه مبتنی بر سیلیکوندستگاه‌های اپتیکیمی‌تواند به طور قابل توجهی توسعه نسل جدیدی از ماژول‌های یکپارچه، چند دستگاهی و کم‌هزینه مبتنی بر سیستم‌های حسگر فیبر توزیع‌شده روی تراشه را ارتقا دهد.
زمان ارسال: ۱۸ مارس ۲۰۲۵