眾所周知，聲音的產生來自機械振動，同時聲音又必須透過介質來傳播。因此，地球上充滿著各種各樣的聲音。
有時我們希望遮蔽這些聲音，以便更好地專注眼前事務。而有時我們希望知道某處是否發出了聲音、具體位置在哪、幅度多大、頻率特徵如何，透過分析這些資訊可以推斷到底是什麼事件引起了機械振動。
光纖分散式聲波感測，正是這樣一種感知聲音的技術。透過探測光纖中背向瑞利散射光的變化，可以定位和恢復感測光纖上任意位置的環境物理量變化，進而判別擾動事件的具體資訊。
憑藉上述優勢，光纖分散式聲波感測技術在周界安防、油藏勘探、地球物理學等領域得到了廣泛應用。
一直以來，光纖分散式聲波感測系統，都會採用體塊式的分立式光電器件。
聲光調製器，便是該類器件的經典代表，同時也是產生高消光比探測光脈衝的核心器件之一。要想基於光時域反射的光纖分散式聲波感測技術實現精確的事件感測，系統發射的光脈衝就必須具備儘可能高的消光比。
也就是說，脈衝之間的洩露光必須足夠的弱，否則在事件位置之外就會出現訊號串擾，導致定位準確性受到影響。
同時，感測距離越長訊號也就越弱，低消光比所導致的串擾也就越強。而聲光晶體的光偏折能力，讓它很容易實現高消光比的光開關功能，這也是聲光調製器能被廣泛用於分散式聲波感測系統的主要原因之一。
但也正是由於這種調製原理，聲光調製器的功耗一般在 W 量級，因此它往往需要一個額外驅動器才能正常工作。在這種情況之下，聲光調製器的體積和重量，難以得到進一步的減小。同時，如果這個驅動器沒有良好的導熱，溫度很快就會上升。
而這會給研發下一代小型、高效的分散式聲波感測系統帶來障礙。另一方面，在整合光學領域，片上光調製器一直是一項熱點技術。
片上光調製器的調製形式，以電光調製的形式為主。它在尺寸和功耗上，都比聲光調製器更加出色。
然而，片上電光調製器的消光比，特別是處於動態調製之時的消光比一般不超過 10dB，而這和分散式聲波感測的要求相去甚遠。
圖 | a 基於多微環耦合結構的片上電光調製器示意圖。b PIN 電光調製結構的截面示意圖。c 器件所在的光子晶片。d 隨驅動電壓變化的調製器透過光譜。e 隨驅動電壓變化的調製器諧振波長及插入損耗。f 經調製得到的光脈衝波形。（來源：Nature Communications）
實現消光比高達 68dB 的光強調製
為了克服片上電光調製器在消光比上的缺陷，之江實驗室研究團隊開展了一項研究。他們參考經典高階電學濾波器的設計方法，基於絕緣體上矽波導，構造出一種多微環耦合的光學帶通濾波器。
圖 | 課題組部分成員。左起：、成卓、舒小倩、馬玲梅（來源：陳必更）
光學帶通濾波器的特點在於：只有特定波段的光，才能以接近無損的方式，透過既定的輸出埠。
而通帶波段以外的光，則會幾乎全部走向另外的輸出埠，因此能夠實現超高的帶外抑制比。
他們進一步在多微環結構之中加入電光調製的單元，讓通帶的波段能夠隨驅動電壓產生移動。由此，在該片上電光調製器實現了消光比高達 68dB 的光強調製。
儘管所採用的 PIN 型電光調製結構，在響應頻寬方面比不上主流的片上電光調製器，但是前者的效率非常高。
實驗結果顯示：使用該新型片上電光調製器產生高消光比光脈衝，調製過程所消耗的電功率僅有 3.6mW。同時，片上電光調製器在晶片上的所佔面積不超過 0.1mm2，因此這款器件在尺寸和功耗上，都比商用聲光調製器小了兩個數量級。
進一步地，他們將器件封裝起來，並將其用於分散式聲波感測系統之中。
這時，他們觀察到分散式聲波感測系統的感測效能，和使用聲光調製器帶來的效果非常接近。這說明將片上整合器件用於分散式聲波感測系統，具有很強的可行性。
同時，也得益於該片上調製器在消光比上的可調節性，讓他們可以針對分散式聲波感測系統訊號串擾以及底噪隨消光比的變化關係開展研究。結果發現，這些依賴關係的變化趨勢和理論計算結果十分吻合。
透過這一研究，他們克服了分散式聲波感測系統中光調製器在體積和功耗上的瓶頸。目前看來，這款片上電光調製器要想真正實現應用落地，只需解決一些工程上的問題。同時它還有望用於量子保密通訊、鐳射雷達等領域。
圖 | a 工作波長下隨驅動電壓變化的調製器透過率。b 表徵調製器超高動態消光比的測試裝置示意圖。c、d 經調製所得的高消光比光脈衝。e 多個工作波長下的動態消光比以及對應的透過光譜。f 調製器電阻的測量結果。（來源：Nature Communications）
交叉研究帶來的成功
據介紹，面向分散式聲波感測的高消光比片上電光調製器這一課題於 2020 年由之江實驗室光纖感測研究團隊首席科學家、電子科技大學教授提出。
當時，擔任本次論文共同通訊作者的，還在英國南安普頓大學從事片上矽基高速電光調製器的博士後研究。
彼時的對於分散式光纖感測技術知之甚少，透過參加之江實驗室招聘面試、和教授交流的時候，才瞭解到這個研究想法。
說：“饒教授和我很快達成了一個共識，即片上整合化很有可能是分散式聲波感測技術的一條革新道路，而我又有片上調製器的基礎，不久之後就加入饒教授在之江實驗室的團隊並啟動了這個課題。”
後來，意識到多微環濾波器結構，或許可以實現理想中的超高消光比調製，於是便設計、繪製了第一版器件版圖並提交給外部加工平臺進行流片生產。
然而由於各種原因，器件晶片的製備過程十分不順，導致交付時間比預計晚了大半年。
拿到樣品之後，該團隊開始緊鑼密鼓地測試，結果發現儘管能夠觀察到大致的預期現象，但是距離理想中的效能還有不小的差距。
這種情況讓暫時擱置了這一設計方案，轉而去忙其他研究。他說：“但是我的組員成卓博士，仍對這個器件樣品抱有希望，並且繼續進行更加詳細的測試，最終得到高達 60dB 的調製消光比，基本達到商用聲光調製器的水平。”
這時，課題組才重新對多微環濾波器的方案產生信心，於是他們一邊最佳化設計並準備第二次流片，一邊把現有樣品器件接入分散式光纖感測系統之中，藉此考察器件效能對於系統的影響。
圖 | a 光纖分散式聲波感測系統結構示意圖。b 解調得到的訊號功率譜密度。c、d 振動頻率附近沿感測光纖的功率譜密度分佈。（來源：Nature Communications）
雖然所屬的大團隊聚焦於研究分散式光纖感測，但是他所帶領的小組組員之前都不具備光纖感測的背景和經驗。
後來，在隔壁感測儀器小組馬玲梅博士手把手指導下，的組員舒小倩從零開始學習光纖感測系統的搭建、測試和感測訊號解調。
期間，這兩位女生頻繁地討論器件選型、工作引數、解調演算法等實驗細節。說：“經常是舒小倩帶著她的疑問來找我，然後我倆都想不明白，只好一起去敲馬博士的辦公室門向她求助。基礎紮實的馬博士很善於透過示意圖和公式推導來啟發我們，為本次課題提供了不可或缺的幫助。”
又有一次實驗中，他們在一小時之內連續打壞三個雪崩光電探測器，大家都目瞪口呆，因為實驗操作流程根本沒有任何問題。
隨後，他們才發現是因為訊號發生器埠之間有串擾，導致開啟的瞬間產生了一個很強的光脈衝，超過了雪崩光電探測器的損傷閾值。
經過一段時間的實驗之後，他們已經可以透過初版調製器清楚地看到，消光比對於分散式聲波感測系統的訊號串擾和底噪具有明顯影響，由此也基本確定了後續測試的思路。
後來第二版器件的流片十分順利，最佳化之後的效果提升很明顯，器件的工藝容差也大為提高。相關實驗則再次驗證了調製器消光比對系統性能的重要性。可以說， 這正是光學交叉研究所帶來的成功。
最終，相關論文以《用於光纖分散式聲學感測的具有超高消光比的片上矽基電光調製器》（）為題發在 Nature Communications[1]。
成卓是第一作者，舒小倩、馬玲梅是共同一作，和擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Nature Communications）
力爭實現兼具高整合和高效能的分散式聲波感測系統
另據悉，片上光電子器件的顯著優勢之一在於：能夠共同整合在單個晶片或少量混合整合的晶片上，藉此實現多種傳統分立器件的功能，從而減少系統的體積和功耗。
所以，下一步他們計劃將分散式聲波感測系統所需的低噪聲光源、光電探測器、若干無源器件和現有高消光比調製器，都整合到光電晶片之上。
要實現片上低噪聲鐳射，對結構設計和製備工藝的要求都非常高。而基於光纖的商用低噪聲鐳射已經非常成熟，並已被廣泛用於各種分散式聲波感測系統之中。
因此，要同時實現高整合和高效能的分散式聲波感測系統，還有一段很長的路要走。
目前，他們已經開展了一些相關研究。從長遠來看，如能成功實現微型系統，他們可能會嘗試陣列化執行和系統間通訊等應用層面的探索，以更好地發揮微型化的優勢。
參考資料：
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
運營/排版：何晨龍
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