Le modulateur électro-optique à taux d'extinction ultra-élevé de dernière génération

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

Les modulateurs électro-optiques sur puce (à base de silicium, de triquinoïde, de niobate de lithium en couche mince, etc.) présentent l'avantage d'être compacts, rapides et peu énergivores, mais l'obtention d'une modulation d'intensité dynamique à très haut taux d'extinction reste un défi majeur. Récemment, des chercheurs d'un centre de recherche conjoint sur la détection par fibre optique d'une université chinoise ont réalisé une avancée significative dans le domaine des modulateurs électro-optiques à très haut taux d'extinction sur substrats de silicium. S'appuyant sur une structure de filtre optique d'ordre élevé, le modulateur en silicium sur puce…modulateur électro-optiqueUn taux d'extinction atteignant 68 dB est obtenu pour la première fois. La taille et la consommation d'énergie sont deux ordres de grandeur inférieures à celles des appareils traditionnels.Modulateur AOMet la faisabilité de l'application du dispositif est vérifiée dans le système DAS de laboratoire.

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

Le siliciummodulateur électro-optiqueCe dispositif, basé sur une structure de filtre à microrésonateurs couplés, 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 microrésonateurs en silicium. Chaque microrésonateur intègre un déphaseur électro-optique de type Pin, permettant ainsi de modifier significativement le spectre de transmittance du modulateur sous une faible tension appliquée (< 1,5 V). Le taux de réjection hors bande élevé, combiné à la forte pente du filtre, permet de moduler l'intensité de la lumière incidente proche de la longueur d'onde de résonance avec un contraste très important, ce qui est particulièrement favorable à la production d'impulsions lumineuses à très haut taux d'extinction.

Pour vérifier la capacité de modulation du modulateur électro-optique, l'équipe a d'abord démontré la variation de la transmittance du dispositif en fonction de la tension continue à la longueur d'onde de fonctionnement. On observe qu'au-delà de 1 V, la transmittance chute brutalement de plus de 60 dB. En raison des limitations des méthodes d'observation conventionnelles à l'oscilloscope, l'équipe de recherche a adopté la méthode de mesure d'interférence auto-hétérodyne et a utilisé la large gamme dynamique du spectromètre pour caractériser le taux d'extinction dynamique extrêmement élevé du modulateur lors de la modulation d'impulsions. Les résultats expérimentaux montrent que l'impulsion lumineuse de sortie du modulateur présente un taux d'extinction atteignant 68 dB, et supérieur à 65 dB au voisinage de plusieurs longueurs d'onde de résonance. Après des calculs précis, la tension de commande RF appliquée à l'électrode est d'environ 1 V, et la consommation d'énergie de modulation n'est que de 3,6 mW, soit deux ordres de grandeur inférieurs à celle d'un modulateur AOM conventionnel.

L'intégration d'un modulateur électro-optique à base de silicium dans un système DAS permet d'appliquer ce modulateur à un système DAS à détection directe. Contrairement à l'interférométrie hétérodyne classique à signal local, ce système utilise le mode de démodulation de l'interférométrie de Michelson non équilibrée, s'affranchissant ainsi de l'effet de décalage de fréquence optique du modulateur. Les variations de phase induites par les signaux de vibration sinusoïdaux sont corrigées par démodulation des signaux diffusés par Rayleigh sur trois canaux, à l'aide d'un algorithme de démodulation IQ conventionnel. Les résultats montrent un rapport signal/bruit (SNR) d'environ 56 dB. La distribution de la densité spectrale de puissance le long de la fibre du capteur, dans la gamme de fréquences du signal de ±100 Hz, est étudiée. Outre le signal prédominant à la position et à la fréquence de vibration, des réponses spectrales de puissance sont observées à d'autres positions spatiales. Le bruit de diaphonie, dans la gamme de ±10 Hz et en dehors de la position de vibration, est moyenné sur la fibre, et le SNR moyen spatial est supérieur à 33 dB.

Figure 2

Schéma d'un système de détection acoustique distribuée par fibre optique.

b Densité spectrale de puissance du signal démodulé.

c, d fréquences de vibration à proximité 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. Ses performances sont très proches de celles d'un modulateur AOM commercial, tout en étant deux ordres de grandeur plus petits et en consommant moins d'énergie. Ce modulateur devrait jouer un rôle clé dans la prochaine génération de systèmes de détection par fibre optique distribués, miniaturisés et basse consommation. De plus, le procédé de fabrication à grande échelle CMOS et la capacité d'intégration sur puce du silicium sont des atouts majeurs.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 par fibre optique distribués sur puce.