온칩 전기광학 변조기(실리콘 기반, 트리퀴노이드, 박막 리튬 니오베이트 등)는 소형화, 고속, 저전력 소모라는 장점을 가지고 있지만, 초고소광비의 동적 세기 변조를 달성하는 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 더 작습니다.AOM 변조기그리고 실험실 DAS 시스템에서 장치의 적용 가능성이 검증되었습니다.
그림 1 초고속 시험장치의 개략도고소광학 전기광학 변조기
실리콘 기반전기광학 변조기결합된 마이크로링 필터 구조는 기존 전기 필터와 유사합니다. 전기 광학 변조기는 4개의 실리콘 기반 마이크로링 공진기를 직렬로 연결하여 평탄한 대역 통과 필터링과 높은 대역 외 제거율(>60dB)을 달성합니다. 각 마이크로링에 핀형 전기 광학 위상 천이기를 사용하면 낮은 인가 전압(<1.5V)에서도 변조기의 투과율 스펙트럼을 크게 변경할 수 있습니다. 높은 대역 외 제거율과 가파른 필터 롤다운 특성이 결합되어 공진 파장 근처의 입력 광 세기를 매우 높은 콘트라스트로 변조할 수 있으며, 이는 초고소광비 광 펄스 생성에 매우 유용합니다.
전기 광학 변조기의 변조 성능을 검증하기 위해 연구팀은 먼저 작동 파장에서 DC 전압에 따른 소자 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 이용하여 펄스 변조 중 변조기의 매우 높은 동적 소광비를 특성화했습니다. 실험 결과에 따르면 변조기의 출력 광 펄스는 최대 68dB의 소광비를 가지며 여러 공진 파장 위치 근처에서는 65dB 이상의 소광비를 보였습니다. 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 전기 광학 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 기존의 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 두드러지는 신호 외에도 다른 공간 위치에서도 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 수행할 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