面向分布式声波传感的硅基超高消光比调制器

01   导读

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68dB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。相关成果以“On-chip silicon electro-optical modulator with ultra-high extinction ratio for fiber-optic distributed acoustic sensing”为题在Nature Communications上发表。该论文第一作者为之江实验室成卓博士，共同第一作者为之江实验室舒小倩和马玲梅博士，通讯作者为陈必更博士和饶云江教授。西湖大学李兰博士团队、浙江大学林宏焘研究员团队和之江实验室虞绍良博士亦对本研究做出了重要贡献。

 02  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。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（φ-OTDR）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（>55dB），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。

 03   创新研究

3.1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（>60dB）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（<1.5V）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。

图1 a 基于多微环耦合结构的片上电光调制器示意图。b PIN电光调制结构的截面示意图。c 器件所在的光子芯片。d 随驱动电压变化的调制器透过光谱。e 随驱动电压变化的调制器谐振波长及插入损耗。f 经调制得到的光脉冲波形。

3.2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1V之后，透过率急剧下降超过60dB。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68dB的消光比，并且在多个谐振波长位置附近的消光比均超过65dB。经详细测算，实际加载到电极的射频驱动电压约为1V，调制功耗仅为3.6mW，比常规AOM功耗要小两个数量级。

图2 a 工作波长下随驱动电压变化的调制器透过率。b 表征调制器超高动态消光比的测试装置示意图。c、d 经调制所得的高消光比光脉冲。e 多个工作波长下的动态消光比以及对应的透过光谱。f 调制器电阻的测量结果。

 3.3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56dB。研究进一步考察了信号频率±100Hz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±10Hz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33dB。

图3 a 光纤分布式声波传感系统结构示意图。b 解调得到的信号功率谱密度。c、d 振动频率附近沿传感光纤的功率谱密度分布。

由于该调制器的消光比可通过改变驱动电压幅度灵活地调节，研究组详细考察了光脉冲消光比对DAS系统传感性能的影响。研究通过多次重复实验统计传感光纤全长（振动位置除外）等间隔位置上功率谱密度的强度，得到不同消光比下空间串扰噪声（SCN）的分布，并使用高斯分布拟合出噪声水平的统计期望。可以看到，消光比提高40dB，空间串扰噪声水平随之降低了约28dB。此外，在同样条件下考察了商用AOM的效果，发现使用两种调制器实现的噪声性能非常接近。类似地，该研究还考察了不同消光比下，系统在无振动信号时功率谱密度的底噪水平，发现40dB的消光比提升仅将底噪减低5dB。这些实验结果的变化趋势均在理论仿真中得到很好的复现。

图4 a 不同调制器消光比下的空间串扰噪声分布。蓝色：振动位置之前；红色：振动位置之后。b 实验测得的空间串扰噪声统计期望水平随消光比的变化关系。c 理论仿真的空间串扰噪声统计期望水平随消光比的变化关系。d 不同调制器消光比下的底噪水平分布。e 实验测得的底噪统计期望水平随消光比的变化关系。f 理论仿真的底噪统计期望水平随消光比的变化关系。

04   应用与展望

该研究首次实现了具有超高消光比（68dB）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独特的作用。此外，硅基光电器件的CMOS大规模制造和片上集成能力还能促进低成本、多器件单片集成模块的研发，进一步推动新型片上光纤传感系统的发展。  





审核编辑：刘清