Présentation du modulateur Mach-Zehnder photonique en siliciummodulateur MZM
Le modulateur Mach-Zehnder est le composant le plus important côté émetteur des modules photoniques sur silicium 400G/800G. Actuellement, deux types de modulateurs sont utilisés côté émetteur dans les modules photoniques sur silicium produits en masse : le premier est le modulateur PAM4, basé sur un mode de fonctionnement monocanal à 100 Gbit/s, qui atteint une transmission de données de 800 Gbit/s grâce à une approche parallèle à 4 ou 8 canaux et est principalement utilisé dans les centres de données et les GPU. Un modulateur Mach-Zehnder monocanal à 200 Gbit/s, capable de concurrencer EML après une production en masse à 100 Gbit/s, ne devrait pas tarder à voir le jour. Le second type est…modulateur IQCette technologie est utilisée dans les communications optiques cohérentes longue distance. Le terme « absorption cohérente » désigne ici la distance de transmission des modules optiques, allant de plusieurs milliers de kilomètres dans le réseau dorsal métropolitain à des modules optiques ZR (80 à 120 kilomètres), voire à des modules optiques LR (10 kilomètres) à l'avenir.
Le principe de la grande vitessemodulateurs en siliciumElle peut être divisée en deux parties : l’optique et l’électricité.
Partie optique : Le principe de base est celui d'un interféromètre de Mach-Zehnder. Un faisceau lumineux traverse un séparateur de faisceau 50/50 et se divise en deux faisceaux d'énergie égale, qui sont ensuite transmis dans les deux bras du modulateur. Par contrôle de phase sur l'un des bras (c'est-à-dire en modifiant l'indice de réfraction du silicium à l'aide d'un élément chauffant afin d'altérer la vitesse de propagation dans ce bras), la combinaison finale des faisceaux est réalisée à la sortie des deux bras. La longueur de phase d'interférence (où les pics des deux bras se rejoignent simultanément) et l'annulation d'interférence (où la différence de phase est de 90° et les pics sont opposés aux creux) sont obtenues par interférence, modulant ainsi l'intensité lumineuse (qui peut être interprétée comme des 1 et des 0 dans les signaux numériques). Ce principe est simple à comprendre et constitue également une méthode de contrôle du point de fonctionnement en pratique. Par exemple, en communication de données, on travaille à un point situé 3 dB en dessous du pic, et en communication cohérente, on travaille au point d'absence de signal lumineux. Cependant, cette méthode de contrôle de la différence de phase par chauffage et dissipation thermique pour réguler le signal de sortie est très lente et ne permet pas d'atteindre notre débit de transmission de 100 Gbit/s. Il nous faut donc trouver un moyen d'obtenir une modulation plus rapide.
La section électrique se compose principalement de la jonction PN, qui nécessite une modification de l'indice de réfraction à haute fréquence, et de la structure d'électrodes à onde progressive, qui synchronise la vitesse du signal électrique et celle du signal optique. La modification de l'indice de réfraction repose sur l'effet de dispersion plasmonique, également appelé effet de dispersion des porteurs libres. Ce phénomène physique se traduit par une variation des parties réelle et imaginaire de l'indice de réfraction d'un matériau semi-conducteur lorsque sa concentration varie. Ainsi, une augmentation de la concentration de porteurs entraîne une augmentation du coefficient d'absorption et une diminution de la partie réelle de l'indice de réfraction. Inversement, une diminution de la concentration de porteurs provoque une diminution du coefficient d'absorption et une augmentation de la partie réelle de l'indice de réfraction. Grâce à cet effet, il est possible, en pratique, de moduler des signaux haute fréquence en régulant le nombre de porteurs dans le guide d'ondes. On obtient ainsi des signaux binaires (0 et 1) en sortie, qui modulent l'amplitude de l'intensité lumineuse à l'aide de signaux électriques haute fréquence. Ce résultat est obtenu grâce à la jonction PN. Les porteurs de charge libres dans le silicium pur sont très peu nombreux, et leur variation est insuffisante pour compenser la variation d'indice de réfraction. Il est donc nécessaire d'augmenter la concentration de porteurs dans le guide d'ondes de transmission par dopage du silicium afin d'obtenir la variation d'indice de réfraction requise, et ainsi atteindre un taux de modulation plus élevé.
Date de publication : 12 mai 2025