Modulateur électro-optique haute performance :modulateur en niobate de lithium à couche mince
Un modulateur électro-optique (modulateur EOMUn modulateur électro-optique est un dispositif qui exploite l'effet électro-optique de certains cristaux électro-optiques. Il permet de convertir des signaux électroniques à haut débit, provenant d'appareils de communication, en signaux optiques. Lorsqu'un cristal électro-optique est soumis à un champ électrique, son indice de réfraction se modifie, ce qui entraîne une modification des caractéristiques de l'onde optique. On obtient ainsi une modulation de l'amplitude, de la phase et de l'état de polarisation du signal optique, et la conversion du signal électronique à haut débit, provenant de l'appareil de communication, en un signal optique.
Actuellement, il existe trois principaux types demodulateurs électro-optiquesSur le marché : modulateurs à base de silicium, modulateurs à base de phosphure d’indium et couches mincesmodulateur en niobate de lithiumParmi eux, le silicium ne possède pas de coefficient électro-optique direct, ses performances sont plus générales, il ne convient qu'à la production de modulateurs de modules émetteurs-récepteurs pour la transmission de données à courte distance, le phosphure d'indium, bien que convenant aux modules émetteurs-récepteurs de réseaux de communication optique à moyenne et longue distance, présente toutefois des exigences d'intégration extrêmement élevées, un coût relativement élevé et une application soumise à certaines limitations. À l'inverse, le cristal de niobate de lithium présente non seulement une forte activité photoélectrique (les effets photoréfractifs, non linéaires, électro-optiques, acousto-optiques, piézoélectriques et thermoélectriques étant égaux), mais aussi, grâce à sa structure cristalline et à sa riche structure de défauts, de nombreuses propriétés du niobate de lithium peuvent être fortement modulées par la composition cristalline, le dopage, le contrôle de l'état de valence, etc. Il atteint ainsi des performances photoélectriques supérieures, telles qu'un coefficient électro-optique pouvant atteindre 30,9 pm/V, nettement supérieur à celui du phosphure d'indium, et présente un faible effet de chirp (variation de fréquence au sein de l'impulsion laser pendant sa transmission ; une variation de fréquence importante entraîne une diminution du rapport signal/bruit et une augmentation de la non-linéarité), un bon taux d'extinction (rapport de puissance moyen entre l'état « allumé » et l'état « éteint » du signal) et une excellente stabilité. De plus, le mécanisme de fonctionnement du modulateur en couche mince de niobate de lithium diffère de celui des modulateurs à base de silicium et de phosphure d'indium utilisant des méthodes de modulation non linéaires. Il exploite l'effet électro-optique linéaire pour charger le signal modulé électriquement sur le porteur optique, et le taux de modulation est principalement déterminé par les performances de l'électrode micro-ondes. On obtient ainsi une vitesse et une linéarité de modulation plus élevées, ainsi qu'une consommation d'énergie réduite. De ce fait, le niobate de lithium s'impose comme un matériau de choix pour la fabrication de modulateurs électro-optiques hautes performances, avec un large éventail d'applications dans les réseaux de communication optique cohérents 100G/400G et les centres de données à très haut débit, permettant des transmissions sur de longues distances supérieures à 100 kilomètres.
Le niobate de lithium, matériau novateur de la « révolution photonique », présente de nombreux avantages par rapport au silicium et au phosphure d'indium. Cependant, il se présente souvent sous forme de matériau massif dans les dispositifs, la lumière étant confinée au guide d'ondes plan formé par diffusion ionique ou échange de protons. La différence d'indice de réfraction étant généralement faible (environ 0,02), la taille des dispositifs reste relativement importante, ce qui rend difficile sa miniaturisation et son intégration.dispositifs optiqueset sa chaîne de production est encore différente de la chaîne de traitement microélectronique réelle, et il existe un problème de coût élevé, la formation de couches minces est donc une direction de développement importante pour le niobate de lithium utilisé dans les modulateurs électro-optiques.
Date de publication : 24 décembre 2024