أحدث مُعدِّل كهروضوئي ذو نسبة إخماد فائقة

أحدث الأخبارمُعدِّل كهروضوئي ذو نسبة إخماد فائقة

تتميز المُعدِّلات الكهروضوئية المدمجة على الرقاقة (القائمة على السيليكون، والثلاثية الركائز، وأغشية نيوبات الليثيوم الرقيقة، وغيرها) بصغر حجمها وسرعتها العالية واستهلاكها المنخفض للطاقة، إلا أن تحقيق تعديل شدة ديناميكي بنسبة إخماد فائقة لا يزال يواجه تحديات كبيرة. وقد حقق باحثون في مركز أبحاث مشترك لاستشعار الألياف الضوئية في إحدى الجامعات الصينية مؤخرًا إنجازًا هامًا في مجال المُعدِّلات الكهروضوئية ذات نسبة الإخماد الفائقة على ركائز السيليكون. وبالاعتماد على بنية مرشح بصري عالي الرتبة، فإن رقاقة السيليكون المدمجةمُعدِّل كهروضوئيتم تحقيق نسبة إخماد تصل إلى 68 ديسيبل لأول مرة. ويقل حجمها واستهلاكها للطاقة بمقدار رتبتين عن الأجهزة التقليدية.مُعدِّل AOMوتم التحقق من جدوى تطبيق الجهاز في نظام DAS المختبري.

الشكل 1: رسم تخطيطي لجهاز الاختبار فائق السرعةمُعدِّل كهروضوئي ذو نسبة إخماد عالية

السيليكونمُعدِّل كهروضوئييعتمد هذا النظام على بنية مرشح حلقي دقيق مزدوج، وهو مشابه للمرشح الكهربائي التقليدي. يحقق المُعدِّل الكهروضوئي ترشيحًا بنطاق تمرير مسطح ونسبة رفض عالية خارج النطاق (>60 ديسيبل) من خلال التوصيل التسلسلي لأربعة رنانات حلقية دقيقة مصنوعة من السيليكون. وبمساعدة مُزحِّف طور كهروضوئي من نوع Pin في كل حلقة دقيقة، يمكن تغيير طيف نفاذية المُعدِّل بشكل ملحوظ عند تطبيق جهد منخفض (<1.5 فولت). تُمكِّن نسبة الرفض العالية خارج النطاق، بالإضافة إلى خاصية الانحدار الحاد للمرشح، من تعديل شدة الضوء الداخل بالقرب من الطول الموجي الرنيني بتباين كبير جدًا، مما يُسهم بشكل كبير في إنتاج نبضات ضوئية ذات نسبة إخماد فائقة.

للتحقق من قدرة التعديل للمعدِّل الكهروضوئي، قام الفريق أولًا بتوضيح تغير نفاذية الجهاز مع جهد التيار المستمر عند طول الموجة التشغيلية. لوحظ انخفاض حاد في النفاذية بعد 1 فولت، متجاوزًا 60 ديسيبل. ونظرًا لمحدودية طرق المراقبة التقليدية باستخدام راسم الإشارة، اعتمد الفريق البحثي طريقة قياس التداخل الذاتي غير المتجانس، مستفيدًا من النطاق الديناميكي الواسع للمطياف لتحديد نسبة الانقراض الديناميكية العالية جدًا للمعدِّل أثناء تعديل النبضات. أظهرت النتائج التجريبية أن نبضة الضوء الخارجة من المعدِّل تتمتع بنسبة انقراض تصل إلى 68 ديسيبل، ونسبة انقراض تتجاوز 65 ديسيبل بالقرب من عدة مواضع لأطوال موجات الرنين. بعد حسابات تفصيلية، تبين أن جهد التشغيل الترددي الفعلي المطبق على القطب الكهربائي يبلغ حوالي 1 فولت، وأن استهلاك طاقة التعديل لا يتجاوز 3.6 ميلي واط، أي أقل بمرتبتين من استهلاك طاقة مُعدِّل AOM التقليدي.

يمكن تطبيق مُعدِّل كهروضوئي قائم على السيليكون في نظام DAS للكشف المباشر عن طريق تغليف المُعدِّل على شريحة واحدة. وبخلاف قياس التداخل غير المتجانس للإشارة المحلية، يعتمد هذا النظام على نمط إزالة التضمين لقياس التداخل غير المتوازن لمايكلسون، مما يُغني عن تأثير إزاحة التردد البصري للمُعدِّل. وقد تم استعادة تغيرات الطور الناتجة عن إشارات الاهتزاز الجيبية بنجاح عن طريق إزالة تضمين إشارات رايلي المتناثرة لثلاث قنوات باستخدام خوارزمية إزالة التضمين IQ التقليدية. تُظهر النتائج أن نسبة الإشارة إلى الضوضاء تبلغ حوالي 56 ديسيبل. كما تم دراسة توزيع كثافة القدرة الطيفية على طول ألياف الاستشعار في نطاق تردد الإشارة ±100 هرتز. وبالإضافة إلى الإشارة البارزة عند موضع الاهتزاز وتردده، لوحظ وجود استجابات معينة لكثافة القدرة الطيفية في مواقع مكانية أخرى. يتم حساب متوسط ​​ضوضاء التداخل 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 استشعار صوتي موزع بالألياف الضوئية.

ب- كثافة القدرة الطيفية للإشارة بعد إزالة التضمين.

ج، د ترددات الاهتزاز بالقرب من توزيع كثافة القدرة الطيفية على طول ألياف الاستشعار.

تُعدّ هذه الدراسة الأولى من نوعها التي تُحقق مُعدِّلًا كهروضوئيًا على السيليكون بنسبة إخماد فائقة (68 ديسيبل)، وقد طُبِّقت بنجاح في أنظمة الاستشعار الموزعة (DAS). ويُقارب تأثير هذا المُعدِّل تأثير مُعدِّل AOM التجاري، مع انخفاض حجمه واستهلاكه للطاقة بمقدار رتبتين، ما يُتوقع أن يُسهم بدورٍ محوري في الجيل القادم من أنظمة استشعار الألياف الضوئية الموزعة المصغّرة ومنخفضة الطاقة. إضافةً إلى ذلك، تُبرز هذه الدراسة عملية التصنيع واسعة النطاق بتقنية CMOS وقدرة التكامل على الشريحة في الأجهزة القائمة على السيليكون.الأجهزة الكهروضوئيةيمكن أن يعزز بشكل كبير تطوير جيل جديد من الوحدات المتكاملة أحادية الرقاقة منخفضة التكلفة ومتعددة الأجهزة، والتي تعتمد على أنظمة استشعار الألياف الموزعة على الرقاقة.