最新の超高消光比電気光学変調器

最新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、超高消光比での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ーセンシング共同研究センターの研究者らが、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ブレークスルーを達成した。高次光フィルタ構造に基づき、オンチップシリコンは、電気光学変調器最大68 dBの消光比を初めて実現した。サイズと消費電力は従来品より2桁小さい。AOM変調器また、この装置の応用可能性は、実験室のDASシステムで検証されている。

図1 超高速試験装置の概略図高消光比電気光学変調器

シリコンベース電気光学変調器結合マイクロリングフィルタ構造に基づくこの構造は、従来の電気フィルタに類似しています。電気光学変調器は、4つのシリコンベースのマイクロリング共振器を直列結合することで、平坦なバンドパス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ピン型電気光学位相シフターを配​​置することで、低い印加電圧（<1.5 V）で変調器の透過スペクトルを大きく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により、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可能となり、超高消光比の光パルス生成に非常に有利です。

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デバイスの透過率のDC電圧による変化を実証した。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った。従来のオシロスコープ観測方法の限界のため、研究チームは自己ヘテロダイン干渉測定法を採用し、分光器の広いダイナミックレンジを利用してパルス変調中の変調器の超高ダイナミック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であり、いくつかの共振波長位置付近では65dBを超える消光比を示した。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であり、変調電力消費はわずか3.6mWで、従来のAOM変調器の電力消費よりも2桁小さいことがわかった。

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で直接検出 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不要です。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で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顕著な信号に加えて、他の空間位置で一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 の範囲で振動位置外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 以上です。

図2

光ファイバー分散型音響センシングシステムの概略図。

b 復調された信号の電力スペクトル密度。

c、dは、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を示す。

本研究は、超高消光比（68 dB）の電気光学変調器をシリコン上に初めて実現し、DASシステムに適用することに成功した。市販のAOM変調器を使用した場合とほぼ同等の効果が得られ、サイズと消費電力は後者よりも2桁小さい。これは、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において重要な役割を果たすことが期待される。さらに、CMOS大規模製造プロセスとシリコンベースのオンチップ集積能力も有する。光電子デバイスこれは、オンチップ分散型光ファイバーセンシングシステムに基づいた、低コストで複数のデバイスを搭載した新世代のモノリシック集積モジュールの開発を大きく促進することができる。