据中国激光杂志社网，于2024年01月16日报道， 近日，之江实验室-电子科技大学光纤传感联合研究中心饶云江教授、陈必更博士团队与合作者在硅基片上超高消光比电光调制器领域取得了重大突破。研究团队首次实现了消光比高达68 dB的片上硅基电光调制器，尺寸和功耗均比传统AOM要小两个数量级，为研发下一代小型化、低功耗光纤分布式声波传感（DAS）系统提供了核心器件。
相关研究成果以“On-chip silicon electro-optical modulator with ultra-high extinction ratio for fiber-optic distributed acoustic sensing”为题在线发表于《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上。
研究背景
光纤分布式声波传感（DAS）可以通过探测光纤中背向瑞利散射光相位的变化，定位和恢复出传感光纤上任意位置的声波（地震波）变化，因此该技术在周界安防、油藏勘探开发、地球物理学研究等多个领域得到广泛应用并形成了数十亿的新兴产业。一直以来，DAS系统中的光电模块主要由体块、分立式的光电器件构建而成，其中包括将连续输入光调制成高消光比脉冲的声光调制器（AOM）。基于相位型光时域反射原理的DAS技术要求进入传感光纤的光脉冲具有足够高的消光比，否则在传感信号之间将出现明显的串扰而影响传感的准确性。传感距离越长，瑞利散射信号越弱，消光比不足所导致的串扰就越强。AOM中声光晶体的光偏折能力使它很容易实现高消光比的调制器功能（>55 dB），因此AOM在DAS系统中的应用非常普遍。同时也由于这种调制原理，其功耗一般在W量级，通常需要一个额外的驱动器才能正常工作，体积（厘米量级）和重量也难以进一步减小，故成为研发下一代小型化、低功耗DAS系统的一个瓶颈障碍。
片上集成的电光调制器（硅基、三五族、薄膜铌酸锂等）具有紧凑、高速和低功耗等优势，但要实现超高消光比的动态强度调制则仍存在较大挑战。近期，之江实验室-电子科技大学光纤传感联合研究中心的饶云江、陈必更团队联合西湖大学和浙江大学的研究者，基于高阶光学滤波器结构，首次实现了消光比高达68 dB的片上硅基电光调制器，尺寸和功耗均比传统AOM要小两个数量级，并且在实验室DAS系统中验证了该器件的应用可行性。
研究创新点
基于耦合微环滤波器结构的硅基电光调制器 类似于经典的电学滤波器，该调制器通过四个硅基微环谐振腔的串联耦合，实现了平坦带通滤波以及高带外抑制比（>60 dB）的光学滤波特性。借助每个微环中带有的PIN型电光相移器，该调制器的透过光谱在较低的外加电压（<1.5 V）作用下即可产生显著的变化。高带外抑制比结合陡峭的滤波滚降特性，使谐振波长附近输入光的强度能够以非常大的对比度被调制，十分有利于产生超高消光比的光脉冲。
超高动态消光比表征 为了验证该调制器的超高消光比调制能力，研究组首先展示了器件透过率在工作波长下随直流电压的变化特性。可以看到超过1 V之后，透过率急剧下降超过60 dB。由于常规示波器观测手段的限制，研究组采用了自外差干涉的测量方法，利用频谱仪的大动态范围来表征调制器进行脉冲调制时的超高动态消光比。实验结果显示，该调制器输出的光脉冲具有高达68 dB的消光比，并且在多个谐振波长位置附近的消光比均超过65 dB。经详细测算，实际加载到电极的射频驱动电压约为1 V，调制功耗仅为3.6 mW，比常规AOM功耗要小两个数量级。
硅基电光调制器在DAS系统中的应用将片上调制器进行封装，即可应用到一个直接探测型的DAS系统中。有别于一般的本地-信号外差干涉结构，该系统采用了非平衡迈克尔逊干涉的解调方式，从而无需调制器具有光移频的效果。利用常规的IQ解调算法对3个通道的瑞利散射信号进行解调，成功地还原出正弦形振动信号所引起的相位变化，结果显示出信噪比约为56 dB。研究进一步考察了信号频率±100 Hz范围内，功率谱密度沿传感光纤全长的分布情况，观察到除了振动位置和频率处的突出信号，在其他若干空间位置亦存在一定的功率谱密度响应。对±10 Hz范围内、振动位置以外的串扰噪声沿着光纤长度进行平均，得到空间上的平均信噪比不小于33 dB。
总结与展望
该研究首次实现了具有超高消光比（68 dB）的硅基片上电光调制器，并且成功应用于DAS系统中，和使用商用AOM的效果非常接近，而尺寸、功耗比后者要小两个数量级，有望在下一代小型化、低功耗分布式光纤传感系统中发挥关键的作用。此外，硅基光电器件的CMOS大规模制造工艺和片上集成能力还能极大推动低成本、基于多器件单片集成模块的新一代片上分布式光纤传感系统的发展。
