最新の超高消光比電気光学変調器

最新の超高消光比電気光学変調器

オンチップ電気光学変調器（シリコンベース、トリキノイド、薄膜ニオブ酸リチウムなど）は、小型、高速、低消費電力といった利点があるものの、超高消光比による動的強度変調を実現するには依然として大きな課題が残されている。最近、中国の大学の光ファイバセンシング共同研究センターの研究者らは、シリコン基板上の超高消光比電気光学変調器の分野で大きな進歩を遂げた。高次光フィルタ構造をベースとしたオンチップシリコン電気光学変調器最大68dBの消光比を実現した初の製品です。サイズと消費電力は従来のものより2桁小さくなっています。AOM変調器、デバイスの適用可能性は実験室のDASシステムで検証されます。

図1 超小型超音波検査装置の模式図高消光比電気光学変調器

シリコンベースの電気光学変調器結合型マイクロリングフィルタ構造に基づくこの電気光学変調器は、従来の電気フィルタに類似しています。この電気光学変調器は、4つのシリコンベースマイクロリング共振器を直列に接続することで、平坦な帯域通過フィルタリングと高い帯域外除去比（> 60 dB）を実現します。各マイクロリングにPin型電気光学位相シフタを設けることで、低い印加電圧（< 1.5 V）で変調器の透過率スペクトルを大幅に変化させることができます。高い帯域外除去比と急峻なフィルタロールダウン特性を組み合わせることで、共振波長付近の入力光の強度を非常に大きなコントラストで変調することができ、超高消光比の光パルス生成に非常に有効です。

電気光学変調器の変調能力を検証するため、研究チームはまず、動作波長におけるDC電圧によるデバイスの透過率の変化を実証した。1Vを超えると、透過率が60dB以上急激に低下することがわかる。従来のオシロスコープ観測方法には限界があるため、研究チームは自己ヘテロダイン干渉測定法を採用し、分光計の広いダイナミックレンジを利用して、パルス変調時の変調器の超高動的消光比を特性評価した。実験結果によると、変調器の出力光パルスの消光比は最大68dBで、いくつかの共振波長位置付近では消光比が65dBを超えることがわかった。詳細な計算の結果、電極に負荷される実際のRF駆動電圧は約1Vで、変調消費電力はわずか3.6mWで、従来のAOM変調器の消費電力より2桁小さくなった。

DAS システムにおけるシリコンベースの電気光学変調器の応用は、オンチップ変調器をパッケージ化することにより、直接検出 DAS システムに適用できます。一般的なローカル信号ヘテロダイン干渉法とは異なり、このシステムでは非平衡マイケルソン干渉法の復調モードが採用されているため、変調器の光周波数シフト効果は必要ありません。正弦波振動信号によって引き起こされる位相変化は、従来の IQ 復調アルゴリズムを使用して 3 チャネルのレイリー散乱信号を復調することにより正常に復元されます。結果は、SNR が約 56 dB であることを示しています。信号周波数 ±100 Hz の範囲でセンサー ファイバーの全長に沿ったパワー スペクトル密度の分布をさらに調査します。振動位置と周波数での主要な信号の他に、他の空間位置で特定のパワー スペクトル密度応答があることが観察されます。 ±10 Hz の範囲および振動位置の外側のクロストークノイズはファイバーの長さに沿って平均化され、空間での平均 SNR は 33 dB 以上になります。

図2

光ファイバー分散音響センシングシステムの概略図。

b 復調信号の電力スペクトル密度。

c、d センシングファイバーに沿ったパワースペクトル密度分布付近の振動周波数。

本研究は、超高消光比（68dB）のシリコン電気光学変調器を初めて実現し、DASシステムへの適用に成功した。市販のAOM変調器を使用した場合と効果に非常に近く、サイズと消費電力は後者よりも2桁小さいため、次世代の小型・低消費電力分散型光ファイバーセンシングシステムで重要な役割を果たすことが期待される。さらに、シリコンベースのCMOS大規模製造プロセスとオンチップ集積能力は、光電子デバイスオンチップ分散ファイバーセンシングシステムに基づく、新世代の低コスト、マルチデバイスモノリシック統合モジュールの開発を大幅に促進できます。