최신 초고소광비 전기광학 변조기

최신초고소광비 전기광학 변조기

온칩 전기광학 변조기(실리콘 기반, 트리퀴노이드, 니오브산리튬 박막 등)는 소형화, 고속 처리, 저전력 소비 등의 장점을 가지고 있지만, 초고소광비로 동적 강도 변조를 구현하는 데에는 여전히 큰 어려움이 있습니다. 최근 중국의 한 대학 광섬유 센싱 공동 연구 센터의 연구진이 실리콘 기판 기반 초고소광비 전기광학 변조기 분야에서 획기적인 발전을 이루었습니다. 고차 광 필터 구조를 기반으로 하는 온칩 실리콘 변조기는 초고소광비 전기광학 변조기를 구현합니다.전기광학 변조기최대 68dB의 소광비를 최초로 구현했습니다. 크기와 전력 소비량은 기존 제품보다 두 자릿수 작습니다.AOM 변조기또한, 해당 장치의 적용 가능성은 실험실 DAS 시스템에서 검증되었습니다.

그림 1. 초고감도 테스트 장치의 개략도높은 소멸비의 전기광학 변조기

실리콘 기반전기광학 변조기결합형 마이크로링 필터 구조를 기반으로 하는 이 전기광학 변조기는 기존의 전기 필터와 유사한 특성을 나타냅니다. 4개의 실리콘 기반 마이크로링 공진기를 직렬로 연결함으로써 평탄한 대역 통과 필터링과 높은 대역 외 차단비(>60dB)를 구현합니다. 각 마이크로링에 내장된 핀형 전기광학 위상 변환기를 이용하여 낮은 인가 전압(<1.5V)에서도 변조기의 투과 스펙트럼을 크게 변화시킬 수 있습니다. 높은 대역 외 차단비와 급격한 필터 감쇠 특성 덕분에 공진 파장 근처의 입력광 강도를 매우 큰 대비로 변조할 수 있어 초고소광비 광 펄스 생성에 매우 유리합니다.

연구팀은 전기광학 변조기의 변조 성능을 검증하기 위해 먼저 동작 파장에서 직류 전압에 따른 소자의 투과율 변화를 측정했습니다. 1V 이후 투과율이 60dB 이상 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있었습니다. 기존 오실로스코프 관찰 방식의 한계로 인해, 연구팀은 자기 헤테로다인 간섭 측정 방식을 채택하고 분광기의 넓은 동적 범위를 활용하여 펄스 변조 중 변조기의 초고속 동적 소광비를 분석했습니다. 실험 결과, 변조기의 출력 광 펄스는 최대 68dB의 소광비를 나타냈으며, 몇몇 공진 파장 부근에서는 65dB 이상의 소광비를 보였습니다. 자세한 계산 결과, 전극에 인가되는 실제 RF 구동 전압은 약 1V이며, 변조 전력 소모는 3.6mW에 불과하여 기존 AOM 변조기의 전력 소모보다 두 자릿수 이상 낮았습니다.

실리콘 기반 전기광학 변조기를 DAS 시스템에 적용하면 온칩 변조기 패키징을 통해 직접 검출 DAS 시스템을 구현할 수 있습니다. 일반적인 국소 신호 헤테로다인 간섭계와 달리, 본 시스템에서는 비평형 마이켈슨 간섭계의 복조 방식을 채택하여 변조기의 광 주파수 시프트 효과가 필요하지 않습니다. 정현파 진동 신호로 인한 위상 변화는 기존의 IQ 복조 알고리즘을 사용하여 3채널 레일리 산란 신호를 복조함으로써 성공적으로 복원되었습니다. 결과적으로 SNR은 약 56dB로 나타났습니다. 신호 주파수 ±100Hz 범위에서 센서 광섬유 전체 길이에 걸친 전력 스펙트럼 밀도 분포를 추가로 분석했습니다. 진동 위치 및 주파수에서의 두드러진 신호 외에도 다른 공간 위치에서도 특정 전력 스펙트럼 밀도 응답이 관찰되었습니다. 진동 위치 외의 ±10Hz 범위에서 광섬유 길이를 따라 평균화된 누화 잡음은 공간 평균 SNR이 33dB 이상임을 보여줍니다.

그림 2

a. 광섬유 분산 음향 감지 시스템의 개략도.

b. 복조된 신호 전력 스펙트럼 밀도.

c, d는 감지 섬유를 따라 분포하는 전력 스펙트럼 밀도 근처의 진동 주파수입니다.

본 연구는 실리콘 기판 위에 초고소광비(68dB)를 갖는 전기광학 변조기를 최초로 구현하고, 이를 DAS 시스템에 성공적으로 적용한 결과를 제시합니다. 상용 AOM 변조기와 매우 유사한 효과를 보이면서도 크기와 전력 소비량은 기존 제품보다 두 자릿수 이상 작습니다. 따라서 본 연구는 차세대 소형 저전력 분산형 광섬유 센싱 시스템 개발에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대됩니다. 또한, CMOS 대규모 제조 공정과 실리콘 기반 소자의 온칩 집적화 능력은 본 연구의 잠재력을 더욱 높여줍니다.광전자 장치이는 온칩 분산형 광섬유 센싱 시스템을 기반으로 하는 차세대 저비용 다중 장치 모놀리식 통합 모듈 개발을 크게 촉진할 수 있습니다.