linéarité élevéemodulateur électro-optiqueet application des photons micro-ondes
Face aux exigences croissantes des systèmes de communication, et afin d'améliorer encore l'efficacité de transmission des signaux, on fusionne photons et électrons pour obtenir des avantages complémentaires, donnant ainsi naissance à la photonique micro-ondes. Le modulateur électro-optique est nécessaire à la conversion de l'électricité en lumière.systèmes photoniques à micro-ondesCette étape clé détermine généralement les performances de l'ensemble du système. La conversion d'un signal radiofréquence en signal optique étant un traitement analogique, les méthodes classiquesmodulateurs électro-optiquesEn raison de leur non-linéarité intrinsèque, la conversion entraîne une distorsion importante du signal. Afin d'obtenir une modulation quasi linéaire, le point de fonctionnement du modulateur est généralement fixé au point de polarisation orthogonal, mais cela ne répond toujours pas aux exigences de linéarité des liaisons photoniques micro-ondes. Des modulateurs électro-optiques à haute linéarité sont donc nécessaires de toute urgence.
La modulation rapide de l'indice de réfraction des matériaux en silicium est généralement obtenue par l'effet de dispersion de plasma de porteurs libres (FCD). L'effet FCD et la modulation par jonction PN sont tous deux non linéaires, ce qui rend le modulateur en silicium moins linéaire que le modulateur en niobate de lithium. Les matériaux en niobate de lithium présentent d'excellentes propriétés.modulation électro-optiqueLes propriétés du niobate de lithium sont dues à son effet de plissement. Ce matériau présente également l'avantage d'une large bande passante, de bonnes caractéristiques de modulation, de faibles pertes, d'une intégration aisée et d'une compatibilité avec les procédés de fabrication des semi-conducteurs. L'utilisation de couches minces de niobate de lithium pour la réalisation de modulateurs électro-optiques hautes performances, contrairement au silicium où l'effet de plaque courte est quasi inexistant, tout en garantissant une linéarité élevée. Les modulateurs électro-optiques en couche mince de niobate de lithium (LNOI) sur isolant constituent une voie de développement prometteuse. Grâce aux progrès réalisés dans les technologies de préparation des couches minces de niobate de lithium et de gravure des guides d'ondes, l'efficacité de conversion et l'intégration accrues de ces modulateurs sont devenues un sujet d'intérêt majeur pour la recherche académique et industrielle internationale.
Caractéristiques du niobate de lithium en couche mince
Aux États-Unis, le programme DAP AR a établi l'évaluation suivante concernant les matériaux à base de niobate de lithium : si le berceau de la révolution électronique doit son nom au silicium qui la rend possible, il est fort probable que celui de la révolution photonique porte le nom du niobate de lithium. En effet, ce matériau intègre les effets électro-optique, acousto-optique, piézoélectrique, thermoélectrique et photoréfractif, à l'instar du silicium en optique.
En termes de caractéristiques de transmission optique, le matériau InP présente les pertes de transmission sur puce les plus importantes en raison de l'absorption de la lumière dans la bande couramment utilisée de 1550 nm. Le SiO₂ et le nitrure de silicium offrent les meilleures caractéristiques de transmission, avec des pertes pouvant atteindre environ 0,01 dB/cm. Actuellement, les pertes des guides d'ondes en niobate de lithium en couches minces peuvent atteindre 0,03 dB/cm, et ces pertes pourraient être encore réduites grâce aux progrès technologiques futurs. Par conséquent, le niobate de lithium en couches minces présente un fort potentiel pour les structures optiques passives telles que les voies photosynthétiques, les shunts et les microrésonateurs annulaires.
En matière de génération de lumière, seul l'InP est capable d'émettre directement de la lumière. Par conséquent, pour les applications utilisant des photons micro-ondes, il est nécessaire d'intégrer une source lumineuse à base d'InP sur la puce photonique à base de LNOI, soit par soudage par l'arrière, soit par croissance épitaxiale. Concernant la modulation de la lumière, il a été souligné précédemment que le niobate de lithium en couche mince permet d'obtenir plus facilement une bande passante de modulation plus large, une tension de demi-onde plus faible et des pertes de transmission moindres que l'InP et le Si. De plus, la haute linéarité de la modulation électro-optique du niobate de lithium en couche mince est essentielle pour toutes les applications utilisant des photons micro-ondes.
En matière de routage optique, la réponse électro-optique rapide du niobate de lithium en couche mince confère au commutateur optique à base de LNOI une capacité de commutation à haut débit, tout en minimisant la consommation d'énergie. Pour les applications typiques de la technologie photonique micro-ondes intégrée, la puce de formation de faisceau à commande optique offre une commutation à haut débit répondant aux besoins de balayage rapide du faisceau, et sa très faible consommation d'énergie est parfaitement adaptée aux exigences strictes des systèmes à réseau phasé de grande taille. Bien que le commutateur optique à base d'InP puisse également réaliser une commutation de chemin optique à haut débit, il introduit un bruit important, particulièrement marqué lors de la mise en cascade de commutateurs optiques multiniveaux, où le coefficient de bruit se dégrade fortement. Les matériaux à base de silicium, de SiO₂ et de nitrure de silicium ne permettent de commuter les chemins optiques que par effet thermo-optique ou dispersion des porteurs, ce qui présente l'inconvénient d'une consommation d'énergie élevée et d'une vitesse de commutation lente. Lorsque la taille du réseau phasé est importante, ces matériaux ne répondent plus aux exigences de consommation d'énergie.
En termes d'amplification optique,amplificateur optique à semi-conducteur (SOALes dispositifs à base d'InP sont bien établis pour une utilisation commerciale, mais présentent l'inconvénient d'un coefficient de bruit élevé et d'une faible puissance de sortie à saturation, ce qui les rend peu adaptés aux applications de photons micro-ondes. Le procédé d'amplification paramétrique des guides d'ondes en niobate de lithium en couches minces, basé sur l'activation et l'inversion périodiques, permet d'obtenir une amplification optique sur puce à faible bruit et à forte puissance, répondant ainsi aux exigences des technologies intégrées de photons micro-ondes pour l'amplification optique sur puce.
En matière de détection de la lumière, le niobate de lithium en couche mince présente de bonnes caractéristiques de transmission à la lumière dans la bande 1550 nm. La conversion photoélectrique n'étant pas possible, pour les applications photoniques micro-ondes, il est nécessaire d'intégrer des unités de détection InGaAs ou Ge-Si sur les puces photoniques à base de LNOI, par soudage par l'arrière ou par croissance épitaxiale, afin de répondre aux exigences de conversion photoélectrique sur la puce. Concernant le couplage avec la fibre optique, celle-ci étant constituée de SiO₂, le champ modal du guide d'ondes en SiO₂ présente la meilleure correspondance avec celui de la fibre optique, et le couplage est donc optimal. Le diamètre du champ modal du guide d'ondes fortement confiné en niobate de lithium en couche mince est d'environ 1 µm, ce qui diffère sensiblement de celui de la fibre optique. Une transformation appropriée du point focal est donc indispensable pour assurer cette correspondance.
En matière d'intégration, le potentiel d'intégration élevé de différents matériaux dépend principalement du rayon de courbure du guide d'ondes (influencé par la limitation du champ de mode du guide). Un guide d'ondes fortement contraint permet un rayon de courbure plus petit, ce qui favorise une intégration élevée. Par conséquent, les guides d'ondes en niobate de lithium en couches minces présentent un fort potentiel d'intégration. Ainsi, l'apparition du niobate de lithium en couches minces permet à ce matériau de jouer véritablement le rôle de « silicium » optique. Pour les applications aux photons micro-ondes, les avantages du niobate de lithium en couches minces sont particulièrement manifestes.
Date de publication : 23 avril 2024