온칩 전기광학 변조기(실리콘 기반, 트리퀴노이드, 박막 리튬 니오베이트 등)는 소형화, 고속, 저전력 소모라는 장점을 가지고 있지만, 초고소광비의 동적 세기 변조를 구현하는 데는 여전히 큰 과제가 있습니다. 최근 중국 한 대학교 광섬유 센싱 공동 연구 센터의 연구원들은 실리콘 기판 기반 초고소광비 전기광학 변조기 분야에서 획기적인 발전을 이루었습니다. 고차 광 필터 구조를 기반으로 하는 온칩 실리콘전기광학 변조기최대 68dB의 소광비를 최초로 구현했습니다. 기존 제품보다 크기와 전력 소비량이 두 자릿수나 작습니다.AOM 변조기그리고 실험실 DAS 시스템에서 장치의 적용 가능성을 검증하였다.
그림 1 초고속 시험장치의 개략도고소광학 전기광학 변조기
실리콘 기반전기광학 변조기결합된 마이크로링 필터 구조는 기존 전기 필터와 유사합니다. 전기광학 변조기는 4개의 실리콘 기반 마이크로링 공진기를 직렬로 연결하여 평탄한 대역 통과 필터링과 높은 대역 외 제거비(>60dB)를 달성합니다. 각 마이크로링에 핀형 전기광학 위상 천이기를 사용하면 낮은 인가 전압(<1.5V)에서도 변조기의 투과율 스펙트럼을 크게 변경할 수 있습니다. 높은 대역 외 제거비와 가파른 필터 롤다운 특성이 결합되어 공진 파장 근처의 입력 광 세기를 매우 높은 콘트라스트로 변조할 수 있으며, 이는 초고소광비 광 펄스 생성에 매우 적합합니다.
전기 광학 변조기의 변조 성능을 검증하기 위해 연구팀은 먼저 작동 파장에서 DC 전압에 따른 소자의 투과율 변화를 시연했습니다. 1V 이후 투과율이 60dB 이상으로 급격히 떨어지는 것을 확인할 수 있습니다. 기존 오실로스코프 관찰 방법의 한계로 인해 연구팀은 자기 헤테로다인 간섭 측정법을 채택하고 분광기의 넓은 동적 범위를 사용하여 펄스 변조 중 변조기의 매우 높은 동적 소광비를 특성화했습니다. 실험 결과에 따르면 변조기의 출력 광 펄스는 최대 68dB의 소광비를 가지며 여러 공진 파장 위치 근처에서 65dB 이상의 소광비를 보입니다. 자세한 계산 결과, 전극에 부하되는 실제 RF 구동 전압은 약 1V이고 변조 전력 소비는 3.6mW에 불과하여 기존 AOM 변조기 전력 소비보다 두 자릿수 작습니다.
DAS 시스템에서 실리콘 기반 전기광학 변조기를 적용하면 온칩 변조기를 패키징하여 직접 검출 DAS 시스템에 적용할 수 있습니다. 일반적인 로컬 신호 헤테로다인 간섭계와 달리 이 시스템에서는 비평형 마이컬슨 간섭계의 복조 모드를 채택하여 변조기의 광 주파수 편이 효과가 필요하지 않습니다. 사인파 진동 신호로 인한 위상 변화는 기존 IQ 복조 알고리즘을 사용하여 3채널의 레일리 산란 신호를 복조하여 성공적으로 복원되었습니다. 결과는 SNR이 약 56dB임을 보여줍니다. 신호 주파수 ±100Hz 범위에서 센서 파이버 전체 길이에 걸친 전력 스펙트럼 밀도 분포를 추가로 조사했습니다. 진동 위치 및 주파수에서 두드러진 신호 외에도 다른 공간 위치에서 특정 전력 스펙트럼 밀도 응답이 관찰되었습니다. ±10Hz 범위와 진동 위치 밖의 크로스토크 잡음은 파이버 길이에 따라 평균화되고, 공간에서의 평균 SNR은 33dB 이상입니다.
그림 2
광섬유 분산 음향 감지 시스템의 개략도.
b 복조된 신호 전력 스펙트럼 밀도.
c, d 감지 섬유를 따라 전력 스펙트럼 밀도 분포 근처의 진동 주파수.
본 연구는 초고소광비(68dB)를 갖는 실리콘 기반 전기광학 변조기를 최초로 구현하여 DAS 시스템에 성공적으로 적용한 연구입니다. 상용 AOM 변조기를 사용한 효과와 매우 유사하며, 크기와 전력 소모도 기존 AOM 변조기보다 두 자릿수 작아 차세대 소형 저전력 분산형 광섬유 센싱 시스템에서 핵심적인 역할을 할 것으로 기대됩니다. 또한, 실리콘 기반 CMOS 대량 제조 공정과 온칩 집적 능력은광전자 소자칩 기반 분산형 파이버 센싱 시스템인 저가형, 다중 장치 일체형 통합 모듈의 차세대 개발을 크게 촉진할 수 있습니다.
게시 시간: 2025년 3월 18일