01導讀

片上集成的電光調制器（硅基、三五族、薄膜鈮酸鋰等）具有緊湊、高速和低功耗等優(yōu)勢，但要實現(xiàn)超高消光比的動態(tài)強度調制則仍存在較大挑戰(zhàn)。近期，之江實驗室-電子科技大學光纖傳感聯(lián)合研究中心的饒云江、陳必更團隊聯(lián)合西湖大學和浙江大學的研究者，基于高階光學濾波器結構，首次實現(xiàn)了消光比高達68dB的片上硅基電光調制器，尺寸和功耗均比傳統(tǒng)AOM要小兩個數(shù)量級，并且在實驗室DAS系統(tǒng)中驗證了該器件的應用可行性。相關成果以“On-chip silicon electro-optical modulator with ultra-high extinction ratio for fiber-optic distributed acoustic sensing”為題在Nature Communications上發(fā)表。該論文第一作者為之江實驗室成卓博士，共同第一作者為之江實驗室舒小倩和馬玲梅博士，通訊作者為陳必更博士和饒云江教授。西湖大學李蘭博士團隊、浙江大學林宏燾研究員團隊和之江實驗室虞紹良博士亦對本研究做出了重要貢獻。

02研究背景

光纖分布式聲波傳感（DAS）可以通過探測光纖中背向瑞利散射光相位的變化，定位和恢復出傳感光纖上任意位置的聲波（地震波）變化，因此該技術在周界安防、油藏勘探開發(fā)、地球物理學研究等多個領域得到廣泛應用。一直以來，DAS系統(tǒng)中的光電模塊主要由體塊、分立式的光電器件構建而成，其中包括將連續(xù)輸入光調制成高消光比脈沖的聲光調制器（AOM）。基于相位型光時域反射（φ-OTDR）原理的DAS技術要求進入傳感光纖的光脈沖具有足夠高的消光比，否則在傳感信號之間將出現(xiàn)明顯的串擾而影響傳感的準確性。傳感距離越長，瑞利散射信號越弱，消光比不足所導致的串擾就越強。AOM中聲光晶體的光偏折能力使它很容易實現(xiàn)高消光比的調制器功能（>55dB），因此AOM在DAS系統(tǒng)中的應用非常普遍。同時也由于這種調制原理，其功耗一般在W量級，通常需要一個額外的驅動器才能正常工作，體積（厘米量級）和重量也難以進一步減小，故成為研發(fā)下一代小型化、低功耗DAS系統(tǒng)的一個瓶頸障礙。

03創(chuàng)新研究

3.1基于耦合微環(huán)濾波器結構的硅基電光調制器

類似于經典的電學濾波器，該調制器通過四個硅基微環(huán)諧振腔的串聯(lián)耦合，實現(xiàn)了平坦帶通濾波以及高帶外抑制比（>60dB）的光學濾波特性。借助每個微環(huán)中帶有的PIN型電光相移器，該調制器的透過光譜在較低的外加電壓（<1.5V）作用下即可產生顯著的變化。高帶外抑制比結合陡峭的濾波滾降特性，使諧振波長附近輸入光的強度能夠以非常大的對比度被調制，十分有利于產生超高消光比的光脈沖。

圖1 a 基于多微環(huán)耦合結構的片上電光調制器示意圖。b PIN電光調制結構的截面示意圖。c 器件所在的光子芯片。d 隨驅動電壓變化的調制器透過光譜。e 隨驅動電壓變化的調制器諧振波長及插入損耗。f經調制得到的光脈沖波形。

3.2超高動態(tài)消光比表征

為了驗證該調制器的超高消光比調制能力，研究組首先展示了器件透過率在工作波長下隨直流電壓的變化特性。可以看到超過1V之后，透過率急劇下降超過60dB。由于常規(guī)示波器觀測手段的限制，研究組采用了自外差干涉的測量方法，利用頻譜儀的大動態(tài)范圍來表征調制器進行脈沖調制時的超高動態(tài)消光比。實驗結果顯示，該調制器輸出的光脈沖具有高達68dB的消光比，并且在多個諧振波長位置附近的消光比均超過65dB。經詳細測算，實際加載到電極的射頻驅動電壓約為1V，調制功耗僅為3.6mW，比常規(guī)AOM功耗要小兩個數(shù)量級。

圖2 a 工作波長下隨驅動電壓變化的調制器透過率。b 表征調制器超高動態(tài)消光比的測試裝置示意圖。c、d 經調制所得的高消光比光脈沖。e 多個工作波長下的動態(tài)消光比以及對應的透過光譜。f 調制器電阻的測量結果。

3.3硅基電光調制器在DAS系統(tǒng)中的應用

將片上調制器進行封裝，即可應用到一個直接探測型的DAS系統(tǒng)中。有別于一般的本地-信號外差干涉結構，該系統(tǒng)采用了非平衡邁克爾遜干涉的解調方式，從而無需調制器具有光移頻的效果。利用常規(guī)的IQ解調算法對3個通道的瑞利散射信號進行解調，成功地還原出正弦形振動信號所引起的相位變化，結果顯示出信噪比約為56dB。研究進一步考察了信號頻率±100Hz范圍內，功率譜密度沿傳感光纖全長的分布情況，觀察到除了振動位置和頻率處的突出信號，在其他若干空間位置亦存在一定的功率譜密度響應。對±10Hz范圍內、振動位置以外的串擾噪聲沿著光纖長度進行平均，得到空間上的平均信噪比不小于33dB。

圖3 a 光纖分布式聲波傳感系統(tǒng)結構示意圖。b 解調得到的信號功率譜密度。c、d 振動頻率附近沿傳感光纖的功率譜密度分布。

由于該調制器的消光比可通過改變驅動電壓幅度靈活地調節(jié)，研究組詳細考察了光脈沖消光比對DAS系統(tǒng)傳感性能的影響。研究通過多次重復實驗統(tǒng)計傳感光纖全長（振動位置除外）等間隔位置上功率譜密度的強度，得到不同消光比下空間串擾噪聲（SCN）的分布，并使用高斯分布擬合出噪聲水平的統(tǒng)計期望。可以看到，消光比提高40dB，空間串擾噪聲水平隨之降低了約28dB。此外，在同樣條件下考察了商用AOM的效果，發(fā)現(xiàn)使用兩種調制器實現(xiàn)的噪聲性能非常接近。類似地，該研究還考察了不同消光比下，系統(tǒng)在無振動信號時功率譜密度的底噪水平，發(fā)現(xiàn)40dB的消光比提升僅將底噪減低5dB。這些實驗結果的變化趨勢均在理論仿真中得到很好的復現(xiàn)。

圖4a不同調制器消光比下的空間串擾噪聲分布。藍色：振動位置之前；紅色：振動位置之后。b實驗測得的空間串擾噪聲統(tǒng)計期望水平隨消光比的變化關系。c理論仿真的空間串擾噪聲統(tǒng)計期望水平隨消光比的變化關系。d不同調制器消光比下的底噪水平分布。e實驗測得的底噪統(tǒng)計期望水平隨消光比的變化關系。f理論仿真的底噪統(tǒng)計期望水平隨消光比的變化關系。

04應用與展望

該研究首次實現(xiàn)了具有超高消光比（68dB）的硅基片上電光調制器，并且成功應用于DAS系統(tǒng)中，和使用商用AOM的效果非常接近，而尺寸、功耗比后者要小兩個數(shù)量級，有望在下一代小型化、低功耗分布式光纖傳感系統(tǒng)中發(fā)揮獨特的作用。此外，硅基光電器件的CMOS大規(guī)模制造和片上集成能力還能促進低成本、多器件單片集成模塊的研發(fā)，進一步推動新型片上光纖傳感系統(tǒng)的發(fā)展。





審核編輯：劉清