Le multiplexage spatial et de polarisation sur puce est apparu comme une stratégie puissante pour stimuler la capacité de transmission de données des émetteurs-récepteurs optiques intégrés. Les multiplexeurs de pointe nécessitent un contrôle précis de la phase relative ou de la distribution spatiale entre les différents modes optiques guidés, ce qui compromet sérieusement la largeur de bande de transmission optique et les performances des dispositifs. Pour surmonter cette limitation, les chercheurs du C2N, en collaboration avec l'Institut des nanosciences QuTech et Kavli et l'Institut de recherche en télécommunications (TELMA), ont démontré une nouvelle approche basée sur le couplage entre les modes guidés dans les guides d'ondes intégrés et les faisceaux optiques se propageant librement sur le plan de la puce. L'ingénierie du couplage évanescent entre les modes guidés et les faisceaux en propagation libre permet un multiplexage spatial et de polarisation avec des performances de pointe. Une liaison multiplexée à deux polarisations et une liaison multiplexée à trois modes utilisant la technologie standard du silicium sur isolant de 220 nm d'épaisseur ont été développées. La liaison à deux polarisations présente une largeur de bande de diaphonie mesurée à -35 dB de 180 nm, tandis que la liaison à trois modes présente une largeur de bande de diaphonie de -20 dB de 195 nm. Ces liaisons sont utilisées pour démontrer un fonctionnement sans erreur (taux d'erreur binaire <10-9) dans le multiplexage et le démultiplexage de deux et trois signaux non retournés à zéro à 40 Gbps chacun, avec des pénalités de puissance inférieures à 0,08 et 1,5 dB pour les liaisons à deux polarisations et à trois modes, respectivement. L'approche démontrée pour deux polarisations et trois modes est transférable à la mise en œuvre future de schémas de multiplexage plus complexes. Ces résultats, récemment publiés dans la revue Laser & Photonics Review, ouvrent la voie à la prochaine génération d'interconnexions optiques sur puce à grande vitesse et à grande capacité, aux sciences de l'information quantique, à la détection optique, aux communications sans fil sur puce et à la photonique non linéaire.
La photonique de silicium a été identifiée comme une technologie prometteuse pour remédier au goulot d'étranglement du trafic dans les centres de données et les réseaux confrontés à la croissance des communications. Les émetteurs-récepteurs optiques actuels de la photonique de silicium transportent différents canaux de données à des longueurs d'onde distinctes en utilisant le multiplexage par répartition en longueur d'onde. Toutefois, à mesure que l'industrie progresse dans le développement des réseaux optiques de la prochaine génération, d'autres schémas de multiplexage seront nécessaires pour prendre en charge une plus grande capacité de données par canal de longueur d'onde. Une approche prometteuse consiste à utiliser des modes distribués dans l'espace pour coder davantage de canaux de données à une longueur d'onde spécifique en combinant même des modes de polarisation orthogonaux comme dans les systèmes actuels avec multiplexeur à faible perte.
Une myriade d'architectures a été proposée pour réaliser le multiplexage par division de mode et de polarisation. Malgré la grande diversité des solutions proposées, la diaphonie reste l'un des principaux inconvénients des communications optiques à grande vitesse, en particulier dans les systèmes à grand nombre de canaux. Une augmentation de la diaphonie a un impact négatif sur les performances de la liaison en termes de taux d'erreur binaire (TEB) et se traduit finalement par une pénalité de puissance qui compromet la faible consommation d'énergie. Ce travail propose une approche fondamentalement nouvelle pour réaliser un (dé)multiplexage de mode et de polarisation très efficace. Plus précisément, le couplage évanescent entre les modes d'un guide d'ondes photonique et les faisceaux se propageant librement dans le plan de la puce est conçu pour que chaque mode du guide d'ondes (ou polarisation) soit couplé à un faisceau différent dans le plan, se propageant avec un angle spécifique. La liaison à trois modes proposée, comprenant un multiplexeur et un démultiplexeur, présente une diaphonie mesurée inférieure à -20 dB sur une largeur de bande de 195 nm (1443-1638 nm) qui couvre entièrement les bandes de télécommunication S, C et L, et partiellement les bandes E et U. D'autre part, la liaison à deux polarisations produit une diaphonie ultra-faible inférieure à -35 dB dans la gamme de longueurs d'onde 1500-1680 nm pour les deux polarisations (couvrant la totalité des bandes C, L et U, et une partie de la bande S). Une démonstration de communications optiques à grande vitesse a également été réalisée pour illustrer l'applicabilité des dispositifs proposés.
La transmission de deux et trois signaux non retournés à zéro à 40 Gbps chacun a été démontrée, avec des pénalités de puissance inférieures à 0,08 et 1,5 dB pour les liaisons à deux polarisations et à trois modes, respectivement, à un TEB de 10-9 sans utiliser de technique de correction.
La faible diaphonie, la large bande passante et la polyvalence de l'approche de multiplexage proposée dans ce travail ouvrent des possibilités uniques dans les sciences de l'information quantique, la détection optique, les communications sans fil sur puce et la photonique non linéaire.
Références
González-Andrade, D.1, Le Roux, X.1, Aubin, G.1, Amar, F.1, Nguyen, T. H. N.1, Nuño Ruano, P.1, Dinh, T. T. D., Oser, D.1,2, Pérez-Galacho, D.3, Cassan, E.1, Marris-Morini, D.1, Vivien, L.1, Alonso-Ramos, C.1,
Spatial and Polarization Division Multiplexing Harnessing On-Chip Optical Beam Forming.
Laser Photonics Rev 2023, 2300298.
DOI : https://doi.org/10.1002/lpor.202300298
Affiliations
1 Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, CNRS, Université Paris-Saclay, Palaiseau 91120, France
2 Institut des nanosciences QuTech et Kavli, Université de Technologie de Delft, Delft 2600 GA, Pays-Bas
3 Institut de Recherche sur les Télécommunications (TELMA), CEI Andalucía TECH, Université de Malaga, Malaga 29010, Espagne
Contacts
David Gonzalez Andrade
Carlos Ramos
Mots clefs : Optique intégrée, Formation de faisceaux optiques, Multiplexage par répartition de la polarisation, Photonique au silicium, Dalle, Multiplexage par répartition spatiale
Figure : Vue tridimensionnelle de l'un des dispositifs proposés, montrant le traitement de trois modes permis par la formation de faisceau optique sur puce dans un circuit intégré. La distribution simulée du champ électrique dans le plan xy est superposée à la structure lorsque les modes TE0 (rouge), TE1 (orange) et TE2 (vert) sont injectés dans le guide d'ondes. Des ouvertures de sortie du guide d'ondes sont situées aux points focaux pour collecter les faisceaux se propageant librement.
