之江实验室团队制备片上电光调制器，调制消光比达到68dB，可用于光纤分布式声波传感

时间： 2024-01-05 03:11     浏览量：509

来源：DeepTech深科技

众所周知，声音的产生来自机械振动，同时声音又必须通过介质来传播。因此，地球上充满着各种各样的声音。

有时我们希望屏蔽这些声音，以便更好地专注眼前事务。而有时我们希望知道某处是否发出了声音、具体位置在哪、幅度多大、频率特征如何，通过分析这些信息可以推断到底是什么事件引起了机械振动。

光纤分布式声波传感，正是这样一种感知声音的技术。通过探测光纤中背向瑞利散射光的变化，可以定位和恢复传感光纤上任意位置的环境物理量变化，进而判别扰动事件的具体信息。

凭借上述优势，光纤分布式声波传感技术在周界安防、油藏勘探、地球物理学等领域得到了广泛应用。

一直以来，光纤分布式声波传感系统，都会采用体块式的分立式光电器件。

声光调制器，便是该类器件的经典代表，同时也是产生高消光比探测光脉冲的核心器件之一。要想基于光时域反射的光纤分布式声波传感技术实现精确的事件传感，系统发射的光脉冲就必须具备尽可能高的消光比。

也就是说，脉冲之间的泄露光必须足够的弱，否则在事件位置之外就会出现信号串扰，导致定位准确性受到影响。

同时，传感距离越长信号也就越弱，低消光比所导致的串扰也就越强。而声光晶体的光偏折能力，让它很容易实现高消光比的光开关功能，这也是声光调制器能被广泛用于分布式声波传感系统的主要原因之一。

但也正是由于这种调制原理，声光调制器的功耗一般在 W 量级，因此它往往需要一个额外驱动器才能正常工作。在这种情况之下，声光调制器的体积和重量，难以得到进一步的减小。同时，如果这个驱动器没有良好的导热，温度很快就会上升。

而这会给研发下一代小型、高效的分布式声波传感系统带来障碍。另一方面，在集成光学领域，片上光调制器一直是一项热点技术。

片上光调制器的调制形式，以电光调制的形式为主。它在尺寸和功耗上，都比声光调制器更加出色。

然而，片上电光调制器的消光比，特别是处于动态调制之时的消光比一般不超过 10dB，而这和分布式声波传感的要求相去甚远。

图 | 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。（来源：Nature Communications）

实现消光比高达 68dB 的光强调制

为了克服片上电光调制器在消光比上的缺陷，之江实验室研究团队开展了一项研究。他们参考经典高阶电学滤波器的设计方法，基于绝缘体上硅波导，构造出一种多微环耦合的光学带通滤波器。

图 | 课题组部分成员。左起：陈必更、成卓、舒小倩、马玲梅（来源：陈必更）

光学带通滤波器的特点在于：只有特定波段的光，才能以接近无损的方式，通过既定的输出端口。

而通带波段以外的光，则会几乎全部走向另外的输出端口，因此能够实现超高的带外抑制比。

他们进一步在多微环结构之中加入电光调制的单元，让通带的波段能够随驱动电压产生移动。由此，在该片上电光调制器实现了消光比高达 68dB 的光强调制。

尽管所采用的 PIN 型电光调制结构，在响应带宽方面比不上主流的片上电光调制器，但是前者的效率非常高。

实验结果显示：使用该新型片上电光调制器产生高消光比光脉冲，调制过程所消耗的电功率仅有 3.6mW。同时，片上电光调制器在芯片上的所占面积不超过 0.1mm2，因此这款器件在尺寸和功耗上，都比商用声光调制器小了两个数量级。

进一步地，他们将器件封装起来，并将其用于分布式声波传感系统之中。

这时，他们观察到分布式声波传感系统的传感性能，和使用声光调制器带来的效果非常接近。这说明将片上集成器件用于分布式声波传感系统，具有很强的可行性。

同时，也得益于该片上调制器在消光比上的可调节性，让他们可以针对分布式声波传感系统信号串扰以及底噪随消光比的变化关系开展研究。结果发现，这些依赖关系的变化趋势和理论计算结果十分吻合。

通过这一研究，他们克服了分布式声波传感系统中光调制器在体积和功耗上的瓶颈。目前看来，这款片上电光调制器要想真正实现应用落地，只需解决一些工程上的问题。同时它还有望用于量子保密通信、激光雷达等领域。

图 | 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。（来源：Nature Communications）

交叉研究带来的成功

据介绍，面向分布式声波传感的高消光比片上电光调制器这一课题于 2020 年由之江实验室光纤传感研究团队首席科学家、电子科技大学教授饶云江提出。

当时，担任本次论文共同通讯作者的陈必更，还在英国南安普顿大学从事片上硅基高速电光调制器的博士后研究。

彼时的陈必更对于分布式光纤传感技术知之甚少，通过参加之江实验室招聘面试、和饶云江教授交流的时候，才了解到这个研究想法。

陈必更说：“饶教授和我很快达成了一个共识，即片上集成化很有可能是分布式声波传感技术的一条革新道路，而我又有片上调制器的基础，不久之后就加入饶教授在之江实验室的团队并启动了这个课题。”

后来，陈必更意识到多微环滤波器结构，或许可以实现理想中的超高消光比调制，于是便设计、绘制了第一版器件版图并提交给外部加工平台进行流片生产。

然而由于各种原因，器件芯片的制备过程十分不顺，导致交付时间比预计晚了大半年。

拿到样品之后，该团队开始紧锣密鼓地测试，结果发现尽管能够观察到大致的预期现象，但是距离理想中的性能还有不小的差距。

这种情况让陈必更暂时搁置了这一设计方案，转而去忙其他研究。他说：“但是我的组员成卓博士，仍对这个器件样品抱有希望，并且继续进行更加详细的测试，最终得到高达 60dB 的调制消光比，基本达到商用声光调制器的水平。”

这时，课题组才重新对多微环滤波器的方案产生信心，于是他们一边优化设计并准备第二次流片，一边把现有样品器件接入分布式光纤传感系统之中，借此考察器件性能对于系统的影响。

图 | 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。（来源：Nature Communications）

力争实现兼具高集成和高性能的分布式声波传感系统

另据悉，片上光电子器件的显著优势之一在于：能够共同集成在单个芯片或少量混合集成的芯片上，借此实现多种传统分立器件的功能，从而减少系统的体积和功耗。

所以，下一步他们计划将分布式声波传感系统所需的低噪声光源、光电探测器、若干无源器件和现有高消光比调制器，都集成到光电芯片之上。

要实现片上低噪声激光，对结构设计和制备工艺的要求都非常高。而基于光纤的商用低噪声激光已经非常成熟，并已被广泛用于各种分布式声波传感系统之中。

因此，要同时实现高集成和高性能的分布式声波传感系统，还有一段很长的路要走。

目前，他们已经开展了一些相关研究。从长远来看，如能成功实现微型系统，他们可能会尝试阵列化运行和系统间通信等应用层面的探索，以更好地发挥微型化的优势。

1.Cheng, Z., Shu, X., Ma, L.et al. On-chip silicon electro-optical modulator with ultra-high extinction ratio for fiber-optic distributed acoustic sensing. Nat Commun 14, 7409 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-43244-9

运营/排版：何晨龙

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