Les peignes de fréquences optiques sont un outil incontournable dans de nombreux domaines. Pour les générer, il est possible d’exploiter des modulateurs électro-optiques de phase et d’amplitude en silicium. Dans ces travaux nous évaluons numériquement les performances de tels composants pour la génération de peignes de fréquences plats, en termes de planéité et d’accordabilité.
Les peignes de fréquences optiques consistent en un ensemble de raies laser mutuellement cohérentes et régulièrement espacées en fréquence. Leurs domaines d’applications sont extrêmement variés : ils s’étendent de la spectroscopie aux télécommunications, en passant par la calibration de spectromètres astronomiques, le LIDAR ou encore certaines techniques de neuromorphisme. Afin de générer un tel spectre, rappelant la forme d’un peigne, la méthode est de faire apparaître sur la lumière un motif se répétant périodiquement au cours du temps. Il existe plusieurs techniques pour cela, parmi lesquelles on trouve les lasers impulsionnels, les effets d’optiques non-linéaires dans des micro-résonateurs, ou encore la modulation électro-optique. Si les deux premières permettent de générer des peignes avec de nombreuses raies, les paramètres de ces peignes (l’espacement entre les raies, l’enveloppe du peigne…) sont relativement figés. Or pour de nombreuses applications, il est utile de bénéficier de peignes accordables et dont l’enveloppe est plate. La modulation-électro-optique contourne cette rigidité et offre une grande flexibilité de génération. Il existe de nombreuses technologies de modulateurs électro-optiques. La plateforme de photonique Silicium est l’une des favorites pour l’intégration des circuits optiques productibles en grande quantité et à bas coût.
Dans ces travaux, nous évaluons les performances de modulateurs silicium pour la génération de peignes de fréquences, en termes de planéité et d’accordabilité, à travers une simulation. Le modèle numérique des modulateurs de phase élémentaires est basé sur des mesures réelles et permet de prédire le comportement deux structures plus complexes destinées aux peignes plats. Ces deux architectures (un modulateur de phase suivi d’un modulateur d’intensité, ainsi qu’un modulateur Mach-Zehnder dual-drive) reposent sur un même principe de conversion temps-fréquence. Par un algorithme d’optimisation des tensions et déphasages optiques dans chaque architecture, nous estimons qu’elles permettent toutes deux la génération d’un peignes contenant 9 raies avec une planéité inférieure à 2 dB, et dont l’espacement peut être accordé de 0.1 à 7 GHz. Le rapport moyen entre la puissance d’une raie et la puissance du laser incident est évaluée allant de -30 à -20 dB. L’accordabilité du peigne est limitée par la rapidité des modulateurs. En les segmentant en plusieurs éléments dans l’une des deux structures, chaque élément peut être rendu plus rapide, et nous trouvons qu’avec 5 éléments, un espacement allant jusqu’à 39 GHz devrait être atteint entre chacune des 9 raies, tout en conservant la planéité du peigne.
References
Silicon photonics phase and intensity modulators for flat frequency comb generation
Lucas Deniel1,* Erwan Weckenmann2, Diego Pérez Galacho1,4 Christian Lafforgue1, Stéphane Monfray3, Carlos Alonso-Ramos,1 Laurent Bramerie2, Frédéric Boeuf3, Laurent Vivien,1 et Delphine Marris-Morini1
1Univ. Paris-Saclay, CNRS, Centre for Nanosciences and Nanotechnologies, 91120 Palaiseau, France
2Univ. Rennes, CNRS, FOTON-UMR 6082, F-22305 Lannion, France
3ST Microelectronics, 850 rue Jean Monnet, 38920 Crolles, France
4Current address: ITEAM Research Institute, Universitat Politècnica de València, Spain
Photonics Research Vol. 9, issue 10, pp. 2068-2076 (2021)
https://doi.org/10.1364/PRJ.431282
contact : Lucas Deniel
Figure Deux architectures de modulateurs silicium (à gauche) destinées à la génération de peignes plats sont modélisés numériquement. Les peignes simulés pour différents espacements fréquentiels entre les raies (2, 6 et 10 GHz) sont représentés pour chaque structure, montrant des performances similaires (à droite).
