أحدث معدل ضوئي كهربائي عالي الانقراض

الأحدثمعدل ضوئي كهربائي عالي الانقراض

تتميز المُعدِّلات الكهروضوئية المدمجة على الرقاقة (القائمة على السيليكون، والتريكوينويد، ونيوبات الليثيوم الرقيقة، إلخ) بمزايا الاكتناز والسرعة العالية وانخفاض استهلاك الطاقة، إلا أنه لا تزال هناك تحديات كبيرة أمام تحقيق تعديل شدة ديناميكية بنسبة انطفاء فائقة. مؤخرًا، حقق باحثون في مركز أبحاث مشترك لاستشعار الألياف الضوئية بجامعة صينية إنجازًا كبيرًا في مجال المُعدِّلات الكهروضوئية عالية نسبة الانطفاء على ركائز السيليكون. استنادًا إلى بنية المرشح الضوئي عالي الترتيب، فإن السيليكون المدمج على الرقاقةمعدِّل كهروضوئيلأول مرة، تم تحقيق نسبة انطفاء تصل إلى 68 ديسيبل. حجمها واستهلاكها للطاقة أصغر بمرتين من استهلاكها التقليدي.معدِّل AOM، وتم التحقق من جدوى تطبيق الجهاز في نظام DAS المختبري.

الشكل 1 مخطط تخطيطي لجهاز اختبار الموجات فوق الصوتيةمعدل ضوئي كهربائي عالي الانقراض

القائمة على السيليكونمعدِّل كهروضوئييعتمد هذا المرشح على بنية مرشح الحلقة الدقيقة المقترنة، وهي مشابهة للمرشح الكهربائي التقليدي. يحقق المُعدِّل الكهروضوئي ترشيحًا بتمرير نطاقي مسطح ونسبة رفض عالية خارج النطاق (>60 ديسيبل) من خلال التوصيل التسلسلي لأربعة مرنانات حلقية دقيقة مصنوعة من السيليكون. بمساعدة مُحوِّل طور كهروضوئي من النوع الدبوسي في كل حلقة دقيقة، يمكن تغيير طيف نفاذية المُعدِّل بشكل ملحوظ عند جهد منخفض مطبق (<1.5 فولت). تُمكّن نسبة الرفض العالية خارج النطاق، بالإضافة إلى خاصية الانحدار الحاد للمرشح، من تعديل شدة الضوء الداخل بالقرب من طول الموجة الرنانة بتباين كبير جدًا، مما يُساعد على إنتاج نبضات ضوئية ذات نسبة انطفاء فائقة.

للتحقق من قدرة التعديل للمُعدِّل الكهروضوئي، أظهر الفريق أولاً تغير نفاذية الجهاز مع جهد التيار المستمر عند طول موجة التشغيل. ويمكن ملاحظة أنه بعد 1 فولت، تنخفض النفاذية بشكل حاد بما يزيد عن 60 ديسيبل. ونظرًا لمحدودية طرق رصد الذبذبات التقليدية، يتبنى فريق البحث طريقة قياس التداخل المتغاير ذاتيًا، ويستخدم النطاق الديناميكي الواسع للمقياس الطيفي لتوصيف نسبة الانطفاء الديناميكي العالية جدًا للمُعدِّل أثناء تعديل النبضات. تُظهر النتائج التجريبية أن نبضة الضوء الخارجة للمُعدِّل لها نسبة انطفاء تصل إلى 68 ديسيبل، ونسبة انطفاء تزيد عن 65 ديسيبل بالقرب من عدة مواضع طول موجي رنيني. وبعد حساب دقيق، يبلغ جهد محرك التردد اللاسلكي الفعلي المحمّل على القطب حوالي 1 فولت، ويبلغ استهلاك طاقة التعديل 3.6 ميلي واط فقط، وهو أقل بدرجتين من استهلاك طاقة مُعدِّل AOM التقليدي.

يمكن تطبيق المُعدِّل الكهروضوئي القائم على السيليكون في نظام DAS على نظام DAS للكشف المباشر عن طريق تعبئة المُعدِّل الموجود على الشريحة. وخلافًا لمقياس التداخل المتغاير للإشارة المحلية العامة، يُعتمد في هذا النظام وضع إزالة التضمين لقياس تداخل ميكلسون غير المتوازن، بحيث لا يكون تأثير إزاحة التردد البصري للمُعدِّل مطلوبًا. تتم استعادة تغيرات الطور الناتجة عن إشارات الاهتزاز الجيبية بنجاح عن طريق إزالة التضمين لإشارات رايلي المتشتتة لثلاث قنوات باستخدام خوارزمية إزالة التضمين IQ التقليدية. تُظهر النتائج أن نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) تبلغ حوالي 56 ديسيبل. ويجري البحث بشكل أعمق في توزيع كثافة طيف القدرة على طول ليف المستشعر بالكامل في نطاق تردد الإشارة ±100 هرتز. إلى جانب الإشارة البارزة في موضع الاهتزاز وتردده، لوحظ وجود استجابات معينة لكثافة طيف القدرة في مواقع مكانية أخرى. يتم حساب متوسط ​​الضوضاء المتداخلة في نطاق ±10 هرتز وخارج موضع الاهتزاز على طول الألياف، ومتوسط ​​نسبة الإشارة إلى الضوضاء في الفضاء لا يقل عن 33 ديسيبل.

الشكل 2

رسم تخطيطي لنظام الاستشعار الصوتي الموزع بالألياف الضوئية.

ب كثافة طيف القدرة للإشارة المفككة.

ج، د ترددات الاهتزاز بالقرب من توزيع كثافة الطيف للقدرة على طول الألياف الاستشعارية.

هذه الدراسة هي الأولى من نوعها التي تُنتج مُعدّلًا كهروضوئيًا على السيليكون بنسبة انطفاء عالية جدًا (68 ديسيبل)، وقد طُبّقت بنجاح على أنظمة DAS. تأثير استخدام مُعدّل AOM تجاري قريب جدًا، وحجمه واستهلاكه للطاقة أقل بمرتين من الأخير، مما يُتوقع أن يلعب دورًا رئيسيًا في الجيل القادم من أنظمة استشعار الألياف الموزعة المصغّرة منخفضة الطاقة. إضافةً إلى ذلك، فإن عملية تصنيع CMOS واسعة النطاق وقدرة التكامل على الشريحة للأنظمة القائمة على السيليكون.الأجهزة البصرية الإلكترونيةيمكن أن يعزز بشكل كبير تطوير الجيل الجديد من وحدات التكامل الأحادية منخفضة التكلفة ومتعددة الأجهزة القائمة على أنظمة استشعار الألياف الموزعة على الشريحة.