Présentation du modulateur Mach-Zende photonique en siliciumModulateur MZM
LeMach-zende moduléLe r est le composant le plus important côté émetteur des modules photoniques silicium 400G/800G. Actuellement, deux types de modulateurs sont utilisés côté émetteur pour les modules photoniques silicium produits en série : le modulateur PAM4, basé sur un mode de fonctionnement monocanal à 100 Gbit/s, permet une transmission de données à 800 Gbit/s grâce à une approche parallèle à 4/8 canaux et est principalement utilisé dans les centres de données et les GPU. Un modulateur Mach-Zeonde monocanal à 200 Gbit/s, capable de concurrencer l'EML après une production en série à 100 Gbit/s, ne devrait pas tarder à voir le jour. Le second type est lemodulateur de QIAppliqué aux communications optiques cohérentes longue distance. La transmission cohérente évoquée à ce stade concerne des distances de transmission de modules optiques allant de plusieurs milliers de kilomètres dans le réseau fédérateur métropolitain à des modules optiques ZR allant de 80 à 120 kilomètres, voire à des modules optiques LR allant jusqu'à 10 kilomètres à l'avenir.
Le principe de la grande vitessemodulateurs au siliciumpeut être divisé en deux parties : l'optique et l'électricité.
Partie optique : Le principe de base est un interféromètre de Mach-Zeund. Un faisceau lumineux traverse un séparateur 50-50 et se divise en deux faisceaux de même énergie, qui continuent d'être transmis dans les deux bras du modulateur. Grâce au contrôle de phase sur l'un des bras (c'est-à-dire en modifiant l'indice de réfraction du silicium par un élément chauffant pour modifier la vitesse de propagation d'un bras), la combinaison finale des faisceaux est réalisée à la sortie des deux bras. La longueur de phase de l'interférence (où les pics des deux bras se rencontrent simultanément) et son annulation (où la différence de phase est de 90° et les pics sont opposés aux creux) peuvent être obtenues par interférence, modulant ainsi l'intensité lumineuse (que l'on peut interpréter comme 1 et 0 dans les signaux numériques). Il s'agit d'une méthode simple de compréhension et de contrôle du point de fonctionnement en pratique. Par exemple, en communication de données, nous travaillons à un point situé 3 dB en dessous du pic, et en communication cohérente, nous travaillons sans point lumineux. Cependant, cette méthode de contrôle du déphasage par chauffage et dissipation thermique pour contrôler le signal de sortie est très longue et ne permet tout simplement pas de répondre à notre exigence de transmission de 100 Gbit/s. Il nous faut donc trouver un moyen d'obtenir un débit de modulation plus rapide.
La section électrique se compose principalement de la jonction PN, qui doit modifier l'indice de réfraction à haute fréquence, et de la structure d'électrode à onde progressive qui adapte la vitesse des signaux électriques et optiques. Le principe de modification de l'indice de réfraction est l'effet de dispersion plasma, également appelé effet de dispersion des porteurs libres. Il s'agit de l'effet physique selon lequel, lorsque la concentration de porteurs libres dans un matériau semi-conducteur varie, les parties réelle et imaginaire de son indice de réfraction varient également en conséquence. Lorsque la concentration en porteurs augmente dans les matériaux semi-conducteurs, le coefficient d'absorption du matériau augmente tandis que la partie réelle de l'indice de réfraction diminue. De même, lorsque la concentration en porteurs diminue dans les matériaux semi-conducteurs, le coefficient d'absorption diminue tandis que la partie réelle de l'indice de réfraction augmente. Grâce à cet effet, dans les applications pratiques, la modulation des signaux haute fréquence peut être obtenue en régulant le nombre de porteurs dans le guide d'ondes de transmission. Finalement, des signaux 0 et 1 apparaissent en sortie, chargeant des signaux électriques à haute vitesse sur l'amplitude de l'intensité lumineuse. La jonction PN permet d'y parvenir. Les porteurs libres du silicium pur sont très peu nombreux et leur variation quantitative est insuffisante pour compenser la variation de l'indice de réfraction. Il est donc nécessaire d'augmenter la base de porteurs dans le guide d'ondes de transmission en dopant le silicium afin de réaliser la variation de l'indice de réfraction et d'obtenir ainsi une modulation de débit plus élevée.
Date de publication : 12 mai 2025