01導(dǎo)讀

片上集成的電光調(diào)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(shí)現(xiàn)超高消光比的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度調(diào)制則仍存在較大挑戰(zhàn)。近期，之江實(shí)驗(yàn)室-電子科技大學(xué)光纖傳感聯(lián)合研究中心的饒?jiān)平㈥惐馗鼒F(tuán)隊(duì)聯(lián)合西湖大學(xué)和浙江大學(xué)的研究者，基于高階光學(xué)濾波器結(jié)構(gòu)，首次實(shí)現(xiàn)了消光比高達(dá)68dB的片上硅基電光調(diào)制器，尺寸和功耗均比傳統(tǒng)AOM要小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，并且在實(shí)驗(yàn)室DAS系統(tǒng)中驗(yàn)證了該器件的應(yīng)用可行性。相關(guān)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(shí)驗(yàn)室成卓博士，共同第一作者為之江實(shí)驗(yàn)室舒小倩和馬玲梅博士，通訊作者為陳必更博士和饒?jiān)平淌凇Ｎ骱髮W(xué)李蘭博士團(tuán)隊(duì)、浙江大學(xué)林宏?duì)c研究員團(tuán)隊(duì)和之江實(shí)驗(yàn)室虞紹良博士亦對(duì)本研究做出了重要貢獻(xiàn)。

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(fù)出傳感光纖上任意位置的聲波（地震波）變化，因此該技術(shù)在周界安防、油藏勘探開發(fā)、地球物理學(xué)研究等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(gòu)建而成，其中包括將連續(xù)輸入光調(diào)制成高消光比脈沖的聲光調(diào)制器（AOM）。基于相位型光時(shí)域反射（φ-OTDR）原理的DAS技術(shù)要求進(jìn)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(hào)之間將出現(xiàn)明顯的串?dāng)_而影響傳感的準(zhǔn)確性。傳感距離越長，瑞利散射信號(hào)越弱，消光比不足所導(dǎo)致的串?dāng)_就越強(qiáng)。AOM中聲光晶體的光偏折能力使它很容易實(shí)現(xiàn)高消光比的調(diào)制器功能（>55dB），因此AOM在DAS系統(tǒng)中的應(yīng)用非常普遍。同時(shí)也由于這種調(diào)制原理，其功耗一般在W量級(jí)，通常需要一個(gè)額外的驅(qū)動(dòng)器才能正常工作，體積（厘米量級(jí)）和重量也難以進(jìn)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(gè)瓶頸障礙。

03創(chuàng)新研究

3.1基于耦合微環(huán)濾波器結(jié)構(gòu)的硅基電光調(diào)制器

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

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

3.2超高動(dòng)態(tài)消光比表征

為了驗(yàn)證該調(diào)制器的超高消光比調(diào)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(dòng)態(tài)范圍來表征調(diào)制器進(jìn)行脈沖調(diào)制時(shí)的超高動(dòng)態(tài)消光比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該調(diào)制器輸出的光脈沖具有高達(dá)68dB的消光比，并且在多個(gè)諧振波長位置附近的消光比均超過65dB。經(jīng)詳細(xì)測算，實(shí)際加載到電極的射頻驅(qū)動(dòng)電壓約為1V，調(diào)制功耗僅為3.6mW，比常規(guī)AOM功耗要小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖2 a 工作波長下隨驅(qū)動(dòng)電壓變化的調(diào)制器透過率。b 表征調(diào)制器超高動(dòng)態(tài)消光比的測試裝置示意圖。c、d 經(jīng)調(diào)制所得的高消光比光脈沖。e 多個(gè)工作波長下的動(dòng)態(tài)消光比以及對(duì)應(yīng)的透過光譜。f 調(diào)制器電阻的測量結(jié)果。

3.3硅基電光調(diào)制器在DAS系統(tǒng)中的應(yīng)用

將片上調(diào)制器進(jìn)行封裝，即可應(yīng)用到一個(gè)直接探測型的DAS系統(tǒng)中。有別于一般的本地-信號(hào)外差干涉結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)采用了非平衡邁克爾遜干涉的解調(diào)方式，從而無需調(diào)制器具有光移頻的效果。利用常規(guī)的IQ解調(diào)算法對(duì)3個(gè)通道的瑞利散射信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，成功地還原出正弦形振動(dòng)信號(hào)所引起的相位變化，結(jié)果顯示出信噪比約為56dB。研究進(jìn)一步考察了信號(hào)頻率±100Hz范圍內(nèi)，功率譜密度沿傳感光纖全長的分布情況，觀察到除了振動(dòng)位置和頻率處的突出信號(hào)，在其他若干空間位置亦存在一定的功率譜密度響應(yīng)。對(duì)±10Hz范圍內(nèi)、振動(dòng)位置以外的串?dāng)_噪聲沿著光纖長度進(jìn)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(jié)構(gòu)示意圖。b 解調(diào)得到的信號(hào)功率譜密度。c、d 振動(dòng)頻率附近沿傳感光纖的功率譜密度分布。

由于該調(diào)制器的消光比可通過改變驅(qū)動(dòng)電壓幅度靈活地調(diào)節(jié)，研究組詳細(xì)考察了光脈沖消光比對(duì)DAS系統(tǒng)傳感性能的影響。研究通過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)傳感光纖全長（振動(dòng)位置除外）等間隔位置上功率譜密度的強(qiáng)度，得到不同消光比下空間串?dāng)_噪聲（SCN）的分布，并使用高斯分布擬合出噪聲水平的統(tǒng)計(jì)期望。可以看到，消光比提高40dB，空間串?dāng)_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(diào)制器實(shí)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(dòng)信號(hào)時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢均在理論仿真中得到很好的復(fù)現(xiàn)。

圖4a不同調(diào)制器消光比下的空間串?dāng)_噪聲分布。藍(lán)色：振動(dòng)位置之前；紅色：振動(dòng)位置之后。b實(shí)驗(yàn)測得的空間串?dāng)_噪聲統(tǒng)計(jì)期望水平隨消光比的變化關(guān)系。c理論仿真的空間串?dāng)_噪聲統(tǒng)計(jì)期望水平隨消光比的變化關(guān)系。d不同調(diào)制器消光比下的底噪水平分布。e實(shí)驗(yàn)測得的底噪統(tǒng)計(jì)期望水平隨消光比的變化關(guān)系。f理論仿真的底噪統(tǒng)計(jì)期望水平隨消光比的變化關(guān)系。

04應(yīng)用與展望

該研究首次實(shí)現(xiàn)了具有超高消光比（68dB）的硅基片上電光調(diào)制器，并且成功應(yīng)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(gè)數(shù)量級(jí)，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(dú)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(jìn)低成本、多器件單片集成模塊的研發(fā)，進(jìn)一步推動(dòng)新型片上光纖傳感系統(tǒng)的發(fā)展。





審核編輯：劉清