Modulateur d’intensité Mach-Zehnder
Modulateurs et composants photoniques intégrés dans le niobate de lithium - Applications

Dans [E 1 997], nous avons décrit en détail le principe de fonctionnement des modulateurs électro-optiques intégrés avec les technologies de l’optique guidée dans des cristaux de niobate de lithium. Nous avons fourni les outils permettant la conception de guides optiques monomodes et déterminé les conditions de propagation de la lumière dans un tel guide obtenu par diffusion métallique. Une propagation guidée et confinée, couplée à des électrodes coplanaires en surface du matériau, nous a permis de déterminer les tensions de commande applicables et en particulier les bandes passantes de modulation qu’il est possible d’atteindre. Nous avons largement détaillé les étapes de fabrication permettant d’aboutir à un composant industriel performant, testé et fiabilisé. Cette description s’est appuyée sur un composant simple, le modulateur de phase, qui constitue la brique de base de toute une famille de modulateurs optiques présentant des fonctionnalités répondant aux besoins spécifiques des applications visées.

Nous abordons donc ici un deuxième volet, portant sur la description des composants disponibles actuellement sur le marché et réalisés en mettant en œuvre ces technologies. Cette description n’est pas exhaustive, mais se veut représentative de la diversité des fonctions qu’il est actuellement possible de réaliser grâce à la très grande flexibilité du niobate de lithium ainsi qu’à la richesse de son tenseur électro-optique et de ses circuits optiques.

Dans une première section, nous donnerons une description détaillée du modulateur d’intensité de type interféromètre de Mach-Zehnder, qui a joué un rôle majeur dans les systèmes de transmission par fibre. Différentes versions seront proposées. On décrira sa caractérisation et sa mise en application pour la modulation numérique, mais également analogique. On insistera en particulier sur un paramètre important, le « chirp », gigue en phase intrinsèque du signal modulé, qui joue un rôle essentiel sur le comportement des signaux transmis dans des milieux dispersifs comme les fibres optiques de silice.

Dans une deuxième section, on étudiera le cas du modulateur I&Q (In Phase & Quadrature), un modulateur plus complexe qui enferme dans un Mach-Zehnder principal deux sous Mach-Zehnder sur lesquels sont appliqués les signaux. L’ajustement particulier des phases entre les quatre bras du circuit permet un fonctionnement pour des codages particuliers et notamment la modulation QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), qui est aujourd’hui largement déployée dans les réseaux optiques à ultra hauts débits (100-200-400 Gbit/s/canal). On décrira l’un de ses modes de fonctionnement original avec la modulation CS-SSB (Carrier Suppressed Single Side Band), ou modulation en bande latérale unique à suppression de porteuse, qui trouve des applications en traitement du signal analogique.

La troisième section sera consacrée au coupleur directionnel, qui a joué un rôle historique important dans l’émergence de la photonique intégrée sur niobate de lithium. On tirera ici parti du couplage évanescent de la lumière entre deux guides optiques parallèles et adjacents pour réaliser des fonctions de commutation active, et donc d’aiguillage de la lumière, d’une entrée vers l’une ou l’autre sortie du dispositif.

Le quatrième composant décrit dans cet article est le convertisseur de polarisation. Ce dispositif tire parti de coefficients du tenseur électro-optique du niobate de lithium généralement peu exploités. Cela se traduit par la réalisation d’un véritable commutateur de l’état de polarisation de la lumière incidente vers la polarisation croisée en sortie de dispositif. Au-delà, c’est une lame de phase commandable par un jeu de signaux électriques externes qui conduit à la mise en œuvre d’un dispositif complet de pilotage actif de polarisation pour le traitement du signal dans les systèmes à fibre optique.

Le dernier exemple de composants est le modulateur de phase en jonction Y destiné au gyromètre à fibre optique. Aux côtés des modulateurs pour télécommunications, il constitue le deuxième domaine d’application des modulateurs à base de ${\mathit{LiNbO}}_3$ en termes de taille de marché. Il remplit trois fonctions optiques essentielles pour le fonctionnement d’un gyromètre à fibre optique : séparation des ondes vers deux canaux, polarisation de la lumière grâce au procédé d’échange protonique, et modulation de phase entre les bras par un jeu d’électrodes. Son apparente simplicité dissimule la complexité de sa fabrication pour aboutir au niveau de performances recherchées par les fabricants de gyromètres à fibre optique, en particulier en termes de linéarité, stabilité et monomodalité.

En conclusion de cet article, les tendances actuelles des développements sur une nouvelle génération de modulateurs seront données. Elles visent à s’adapter à un certain nombre d’autres applications et d’autres exigences issues des marchés actuels de la photonique.