Le dernier modulateur électro-optique à taux d'extinction ultra-élevé

Le derniermodulateur électro-optique à taux d'extinction ultra-élevé

Les modulateurs électro-optiques intégrés (à base de silicium, triquinoïdes, niobate de lithium en couches minces, etc.) présentent les avantages de la compacité, de la rapidité et de la faible consommation d'énergie. Cependant, la réalisation d'une modulation d'intensité dynamique avec un taux d'extinction ultra-élevé pose encore de grands défis. Récemment, des chercheurs d'un centre de recherche conjoint sur la détection par fibre optique d'une université chinoise ont réalisé une avancée majeure dans le domaine des modulateurs électro-optiques à taux d'extinction ultra-élevé sur substrats de silicium. Basés sur la structure de filtre optique d'ordre élevé, les modulateurs en silicium intégrésmodulateur électro-optiqueUn taux d'extinction allant jusqu'à 68 dB est réalisé pour la première fois. Sa taille et sa consommation électrique sont deux fois inférieures à celles des systèmes traditionnels.Modulateur AOM, et la faisabilité de l'application du dispositif est vérifiée dans le système DAS du laboratoire.

Figure 1 Schéma de principe du dispositif de test pour ultramodulateur électro-optique à taux d'extinction élevé

À base de siliciummodulateur électro-optiqueBasé sur une structure de filtre à micro-anneaux couplés, il est similaire à un filtre électrique classique. Le modulateur électro-optique assure un filtrage passe-bande plat et un taux de réjection hors bande élevé (> 60 dB) grâce au couplage en série de quatre résonateurs à micro-anneaux en silicium. Grâce à un déphaseur électro-optique de type Pin dans chaque micro-anneau, le spectre de transmittance du modulateur peut être considérablement modifié à faible tension appliquée (< 1,5 V). Le taux de réjection hors bande élevé, combiné à la forte atténuation du filtre, permet de moduler l'intensité de la lumière d'entrée proche de la longueur d'onde de résonance avec un contraste très élevé, ce qui favorise la production d'impulsions lumineuses à taux d'extinction ultra-élevé.

Afin de vérifier la capacité de modulation du modulateur électro-optique, l'équipe a d'abord démontré la variation de la transmittance du dispositif avec la tension continue à la longueur d'onde de fonctionnement. On observe qu'après 1 V, la transmittance chute brutalement au-delà de 60 dB. En raison des limites des méthodes d'observation conventionnelles par oscilloscope, l'équipe de recherche a adopté la méthode de mesure d'interférence auto-hétérodyne et exploité la large plage dynamique du spectromètre pour caractériser le taux d'extinction dynamique ultra-élevé du modulateur lors de la modulation par impulsions. Les résultats expérimentaux montrent que l'impulsion lumineuse de sortie du modulateur présente un taux d'extinction allant jusqu'à 68 dB, et supérieur à 65 dB à proximité de plusieurs positions de longueur d'onde de résonance. Après des calculs détaillés, la tension de commande RF réelle appliquée à l'électrode est d'environ 1 V et la consommation électrique de modulation n'est que de 3,6 mW, soit deux ordres de grandeur inférieurs à la consommation électrique d'un modulateur AOM conventionnel.

L'application d'un modulateur électro-optique à base de silicium dans un système DAS peut être transposée à un système DAS à détection directe en intégrant le modulateur sur puce. Contrairement à l'interférométrie hétérodyne à signal local classique, ce système adopte le mode de démodulation de l'interférométrie de Michelson non équilibrée, supprimant ainsi l'effet de décalage de fréquence optique du modulateur. Les changements de phase causés par les signaux de vibration sinusoïdale sont restaurés avec succès par démodulation des signaux diffusés Rayleigh sur trois canaux à l'aide de l'algorithme de démodulation IQ classique. Les résultats montrent un rapport signal/bruit d'environ 56 dB. La distribution de la densité spectrale de puissance sur toute la longueur de la fibre du capteur, dans la plage de fréquences du signal ± 100 Hz, est étudiée plus en détail. Outre le signal prédominant à la position et à la fréquence de vibration, on observe certaines réponses de densité spectrale de puissance à d'autres emplacements spatiaux. Le bruit de diaphonie dans la plage de ±10 Hz et en dehors de la position de vibration est moyenné sur toute la longueur de la fibre, et le rapport signal/bruit moyen dans l'espace n'est pas inférieur à 33 dB.

Figure 2

un schéma d'un système de détection acoustique distribué par fibre optique.

b Densité spectrale de puissance du signal démodulé.

c, d fréquences de vibration proches de la distribution de densité spectrale de puissance le long de la fibre de détection.

Cette étude est la première à réaliser un modulateur électro-optique sur silicium avec un taux d'extinction ultra-élevé (68 dB), appliqué avec succès aux systèmes DAS. L'utilisation d'un modulateur AOM commercial produit des résultats très proches, tandis que sa taille et sa consommation d'énergie sont deux ordres de grandeur inférieures à celles de ce dernier, ce qui devrait jouer un rôle clé dans la prochaine génération de systèmes de détection à fibre distribuée miniaturisés et à faible consommation. De plus, le procédé de fabrication à grande échelle CMOS et la capacité d'intégration sur puce des systèmes à base de silicium sont également mis en évidence.dispositifs optoélectroniquespeut grandement favoriser le développement d'une nouvelle génération de modules intégrés monolithiques multi-dispositifs à faible coût basés sur des systèmes de détection à fibre distribuée sur puce.