Puce photonique : une transmission de données à haute capacité de 320 Gbps

Avec l’essor de l’intelligence artificielle (IA), des systèmes 5G, du calcul en nuage et de l’Internet des objets, des émetteurs à très haute capacité sont nécessaires pour la communication de données. La modulation optique ultra-rapide est une technologie essentielle pour les émetteurs à haute capacité.

Les modulateurs optiques à haute vitesse suscitent un intérêt considérable. Des progrès significatifs ont été réalisés en utilisant différents mécanismes dans divers systèmes de matériaux.

Une nouvelle avancée dans la technologie de modulation optique

Une équipe de scientifiques dirigée par Daoxin Dai de l’Université de Zhejiang annonce avoir développé une puce photonique compacte en niobate de lithium sur isolant (LNOI).

Les modulateurs optiques sur une plateforme LNOI ont montré un grand potentiel. Cela découle d’un effet électro-optique (EO) linéaire, d’une faible perte excédentaire et d’une grande stabilité. Les modulateurs EO LNOI basés sur des interféromètres de Mach-Zehnder et des micro-résonateurs (MZM) ont excellé.

La longueur des bras de déphasage est généralement de plusieurs millimètres, voire centimètres, pour réaliser une faible tension. Des électrodes de type onde de voyage ont été introduites, ainsi que des MZM à haute vitesse.

En raison de leur grande empreinte, l’agencement des MZM LNOI est peu pratique pour les systèmes multiplexés à haute capacité avec plusieurs canaux.

Les modulateurs LNOI basés sur des résonateurs

En revanche, les modulateurs basés sur des résonateurs de LNOI ont la capacité d’être compacts, réduisant au passage la consommation d’énergie. Par conséquent, les modulateurs LNOI basés sur des résonateurs ont attiré une attention significative ces dernières années.

L’équipe de recherche a réussi à démontrer des modulateurs LNOI à haute vitesse basés sur une cavité Fabry-Perot (FP) spécifique 2 × 2. Il permet une bande passante ultra-haute 3 dB au-delà de 110 GHz et une capacité de données allant jusqu’à 140 Gbps.

L’empreinte de la section de modulation est beaucoup plus petite que celle des modulateurs de résonateurs annulaires LNOI rapportés. Il est très intéressant pour l’agencement des systèmes de multiplexage par répartition en longueur d’onde (WDM).

Techniques de multiplexage avancées

Parallèlement, des techniques de multiplexage avancées ont été largement étudiées pour augmenter la capacité de liaison en transmettant des données via plusieurs canaux en parallèle. Le WDM a été appliqué avec succès, où plusieurs canaux de longueur d’onde sont introduits. Ces dernières années, diverses structures de guides d’ondes ont été développées pour réaliser des filtres WDM aux performances excellentes.

De grands efforts ont été déployés et des progrès impressionnants ont été réalisés en utilisant des conceptions intelligentes sans courbures de guides d’ondes dans les régions clés. Une puce émettrice WDM grossière à quatre canaux sur LNOI a été démontrée en utilisant un multiplexeur, y compris un interféromètre multimode incliné.

En synthèse

L’équipe de recherche a proposé et développé un filtre photonique LNOI prometteur basé sur un réseau de guides d’ondes multimodes (MWG) droit. Il permet une réponse spectrale de type boîte dont la longueur d’onde centrale et la largeur de bande peuvent être conçues de manière flexible. Un filtre WDM à quatre canaux avec des réponses de type boîte a été établi en utilisant des MWG LNOI en cascade pour la première fois.

Les circuits et guides d’ondes photoniques de grande échelle présentent des exigences de fabrication accrues. Une fabrication de haute qualité est essentielle pour obtenir une propagation de la lumière à faible perte et à faible erreur de phase dans les guides d’ondes optiques. Plusieurs technologies de fabrication typiques ont été établies pour les guides d’ondes photoniques LNOI.

La gravure à sec est préférée en raison de sa compatibilité de processus et de sa répétabilité de fabrication. La gravure au plasma couplé inductivement (ICP) avec du gaz Ar est l’une des méthodes les plus courantes pour fabriquer des guides d’ondes et des dispositifs photoniques LNOI.

La puce présente des caractéristiques de transport en cascade et d’uniformité de canal. Expérimentalement, la puce proposée permet une transmission de données à haute capacité de 320 Gbps de signaux OOK, et 400 Gbps de signaux PAM4 avec une faible consommation d’énergie de 11,9 fJ/bit. Cela indique un énorme potentiel pour l’intégration photonique à grande échelle de LN et la perspective brillante de LNOI en ce qui concerne son utilisation généralisée dans les dispositifs photoniques intégrés.

La puce photonique actuelle avec une empreinte ultra-compacte peut être mise à l’échelle pour plus de canaux et montre donc un grand potentiel pour la réalisation future d’émetteurs WDM ultra-haute capacité et économes en énergie sur LNOI. L’introduction de masques durs en SiO2, en Si amorphe ou en Cr peut améliorer le processus de fabrication.

Avec un processus de gravure amélioré, la perte de propagation (principalement due à la perte de diffusion sur les parois latérales) peut être réduite à une échelle de plaquette. Cela soutiendra le développement de circuits intégrés photoniques LNOI haute performance et répondra aux demandes croissantes pour diverses applications.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que la modulation optique ultra-rapide ?

La modulation optique ultra-rapide est une technologie essentielle pour les émetteurs à haute capacité. Elle est utilisée pour la communication de données dans des domaines tels que l’intelligence artificielle, les systèmes 5G, le calcul en nuage et l’Internet des objets.

Qu’est-ce qu’une puce photonique LNOI ?

Une puce photonique LNOI (lithium-niobate-on-insulator) est un dispositif compact qui utilise la technologie de modulation optique. Elle a été développée par une équipe de scientifiques de l’Université de Zhejiang et a montré un grand potentiel en raison de son effet électro-optique linéaire, de sa faible perte excédentaire et de sa grande stabilité.

Qu’est-ce que la technique de multiplexage ?

La technique de multiplexage est une méthode qui permet d’augmenter la capacité de liaison en transmettant des données via plusieurs canaux en parallèle. Elle a été appliquée avec succès dans le domaine de la modulation optique, notamment avec l’utilisation de la multiplexage par répartition en longueur d’onde (WDM).

Quels sont les avantages de la puce photonique LNOI ?

La puce photonique LNOI permet une transmission de données à haute capacité, allant jusqu’à 320 Gbps pour les signaux OOK et 400 Gbps pour les signaux PAM4, avec une faible consommation d’énergie de 11,9 fJ/bit. De plus, son empreinte ultra-compacte permet une mise à l’échelle pour plus de canaux, ce qui la rend très prometteuse pour la réalisation future d’émetteurs WDM ultra-haute capacité et économes en énergie.

Quels sont les défis de la fabrication de circuits intégrés photoniques LNOI ?

La fabrication de circuits intégrés photoniques LNOI présente des défis en termes de qualité de fabrication. Une fabrication de haute qualité est essentielle pour obtenir une propagation de la lumière à faible perte et à faible erreur de phase dans les guides d’ondes optiques. Plusieurs technologies de fabrication typiques ont été établies pour les guides d’ondes photoniques LNOI, mais la gravure à sec est préférée en raison de sa compatibilité de processus et de sa répétabilité de fabrication.

Article : « Ultra-compact lithium niobate photonic chip for high-capacity and energy-efficient wavelength-division-multiplexing transmitters » – DOI: 10.37188/lam.2023.013

Légende illustration principale : Une image de microscopie optique de la puce photonique LNOI fabriquée comprenant quatre modulateurs EO et un filtre WDM à quatre canaux. Images de microscopie électronique à balayage de b, un côté et c, la partie centrale d’un MWG, d, le cône à double cœur du (dé)multiplexeur de mode, et e, la section transversale du (dé)multiplexeur de mode. Credit – Light: Advanced Manufacturing