Conception de multiplexeurs/démultiplexeurs à base d'interféromètres Mach-Zehnder en cristal photonique utilisant l'interférence multimode
Contexte de recherche et problématique
Avec le développement rapide des technologies de communication optique moderne, les systèmes de multiplexage par répartition en longueur d’onde (WDM) jouent un rôle central dans la mise en œuvre de réseaux optiques à haute capacité et multifonctionnels. Parmi eux, les (dé)entrelaceurs, en tant que composants clés des structures de démultiplexage en longueur d’onde, permettent de séparer efficacement plusieurs signaux de différentes longueurs d’onde, offrant ainsi une plus grande flexibilité dans la conception des réseaux et supportant un nombre accru de canaux. Cependant, la conception traditionnelle de l’interféromètre Mach-Zehnder (MZI) présente des défauts significatifs au niveau des coupleurs d’entrée et de sortie, en particulier en raison de la forte dépendance du coupleur à la longueur d’onde, ce qui limite ses performances. De plus, la réalisation d’un spectre de transmission plat et à faible diaphonie constitue un défi majeur dans les recherches actuelles.
Pour résoudre ces problèmes, une équipe de recherche de l’Université Shahid Beheshti (Iran) a proposé un nouveau design d’interféromètre Mach-Zehnder à base de cristaux photoniques (Photonic Crystal Mach-Zehnder Interferometer, PC-MZI) basé sur l’interférence multimodale (Multimode Interference, MMI). Cette étude vise à optimiser la conception structurelle du PC-MZI pour surmonter les limitations des coupleurs d’entrée/sortie des MZI traditionnels et à développer des (dé)entrelaceurs haute performance adaptés aux réseaux de multiplexage dense en longueur d’onde (DWDM) et de multiplexage grossier en longueur d’onde (CWDM).
Source de l’article
Cet article a été coécrit par Masoud Kamran et Kambiz Abedi, tous deux issus de la Faculté de Génie Électrique de l’Université Shahid Beheshti. L’article a été soumis le 10 juin 2024, accepté le 29 décembre 2024, et sera publié dans le journal Optical and Quantum Electronics, avec le numéro d’article 57:162, DOI : 10.1007/s11082-024-08021-y.
Détails de la recherche et flux de travail
a) Flux de recherche et méthodologie
1. Objectifs de conception et principes de base
L’objectif principal de cette étude est de concevoir un PC-MZI (dé)entrelaceur basé sur l’interférence multimodale afin d’obtenir une réponse en bande passante plate, des bords spectraux raides, ainsi qu’une faible perte de puissance et une faible diaphonie. La recherche est divisée en deux parties principales : la première partie concerne la conception d’un PC-MZI (dé)entrelaceur utilisant un diviseur en Y comme entrée et un MMI comme sortie ; la seconde partie étend cette conception en proposant un PC-MZI (dé)entrelaceur basé sur des MMI en entrée et en sortie.
2. Conception structurelle et optimisation des paramètres
Les chercheurs ont adopté une structure de cristal photonique bidimensionnel (Photonic Crystal, PC), dont le réseau est composé de tiges diélectriques cylindriques en silicium placées dans l’air. Les tiges ont une constante diélectrique εrods = 11,85 et un rayon rd = 0,16a (où a est la constante du réseau). Pour atteindre une opération dans une plage de longueur d’onde spécifique, un point de fonctionnement de a/λ0 = 0,42 a été choisi, correspondant à une constante de réseau a = 0,65 µm et un rayon de tige de 108 nm.
La méthode des différences finies dans le domaine temporel (Finite-Difference Time-Domain, FDTD) a été utilisée pour l’analyse par simulation, en mettant l’accent sur le comportement de la lumière polarisée TE. Le domaine de simulation a été excité par une source continue d’onde et simulé avec un profil de faisceau gaussien. Le pas de temps était δt = 0,04 fs, et la durée de simulation était de 3 ps (bande C) ou 5 ps (bandes L et E), couvrant environ 301 périodes de la source.
3. Conception expérimentale et étapes clés
La recherche comprend les étapes principales suivantes : 1. Conception des coupleurs d’entrée/sortie : Trois types principaux de structures de coupleurs d’entrée/sortie ont été comparés : le diviseur en Y, le coupleur de type guide d’onde et le coupleur de type MMI. Le coupleur de type MMI a finalement été sélectionné en raison de sa large gamme de gestion des interférences et de son contrôle accru des caractéristiques de transmission. 2. Conception des lignes de retard et des modulateurs de phase : En introduisant des lignes de retard de différentes longueurs et des modulateurs de phase (Phase Shifter, PS), un contrôle du déphasage entre les deux signaux lumineux a été réalisé. 3. Conception de la zone d’interférence multimodale : La zone MMI a été formée en supprimant cinq rangées consécutives de tiges diélectriques, avec une longueur déterminée selon le point de fonctionnement fixée à lmmi = 26a. Des guides d’onde monomodes de sortie ont été utilisés pour extraire les signaux de sortie souhaités. 4. Évaluation des performances et optimisation : En ajustant différents paramètres structurels (longueur de la ligne de retard, longueur du MMI, indice de réfraction effectif, etc.), les performances du dispositif ont été optimisées.
4. Méthodes expérimentales innovantes et algorithmes
L’équipe de recherche a développé une méthode basée sur l’algorithme d’optimisation par essaims particulaires (Particle Swarm Optimization, PSO) pour optimiser les paramètres de conception des guides d’onde à cristaux photoniques. De plus, l’étude a exploité le principe d’auto-imagerie (Self-Imaging Principle) et l’effet d’interférence multimodale (Multimode Interference Effect) pour obtenir une réponse en bande passante plate.
b) Résultats principaux et analyse des données
1. Performances des (dé)entrelaceurs à 4, 6, 8 et 16 canaux
La recherche a réussi à concevoir et simuler des PC-MZI (dé)entrelaceurs à 4, 6, 8 et 16 canaux. Les résultats spécifiques sont les suivants : - Dispositif à 4 canaux : Longueurs d’onde centrales respectivement à 1,521 µm, 1,541 µm, 1,554 µm et 1,569 µm, espacement entre canaux adjacents de 10 nm et espacement entre canaux non adjacents de 20 nm. Perte de puissance proche de 1,55 µm de 0,05 dB, isolation des canaux de -24 dB. - Dispositif à 6 canaux : Plage de longueur d’onde centrale de 1,538 µm à 1,578 µm, bande passante à 1 dB de 4,2 nm à 5 nm, bande passante à 3 dB de 7,6 nm à 8,5 nm. Isolation des canaux comprise entre -12 dB et -26 dB. - Dispositif à 16 canaux : Plage de longueur d’onde centrale de 1,526 µm à 1,604 µm, bande passante à 1 dB de 2 nm à 4,5 nm, bande passante à 3 dB de 3,9 nm à 6 nm. Espacement entre canaux adjacents de 11 nm et espacement entre canaux non adjacents de 22 nm.
2. Bande passante plate et bords spectraux raides
Toutes les conceptions ont montré une réponse en bande passante plate (facteur de forme > 0,5) et des bords spectraux raides (taux de coupure de 12–30 dB/nm). De plus, la perte totale de puissance des dispositifs est inférieure à 3 dB, et l’isolation des canaux est inférieure à -14 dB.
3. Signification des résultats et relations logiques
Ces résultats montrent que la conception de PC-MZI basée sur le MMI peut efficacement résoudre les limitations des coupleurs d’entrée/sortie des MZI traditionnels tout en répondant aux besoins des réseaux DWDM et CWDM en termes de (dé)entrelaceurs haute performance.
c) Conclusions et valeur de la recherche
Cette étude a réussi à développer un PC-MZI (dé)entrelaceur basé sur l’interférence multimodale, réalisant une réponse en bande passante plate, une faible perte de puissance et une faible diaphonie. Cette conception présente une valeur d’application importante dans les réseaux DWDM et CWDM, en particulier dans les systèmes de multiplexage dense en longueur d’onde. De plus, les méthodes d’optimisation et les idées de conception proposées par l’étude offrent de nouvelles directions pour le développement futur des dispositifs à cristaux photoniques.
d) Points forts de la recherche
- Conception innovante : Première application du MMI dans la conception des coupleurs d’entrée/sortie du PC-MZI, résolvant le problème de dépendance à la longueur d’onde des MZI traditionnels.
- Performances élevées : Réalisation d’une réponse en bande passante plate, de bords spectraux raides et d’une faible perte de puissance.
- Potentiel d’application large : Conception adaptée aux réseaux DWDM et CWDM, fournissant un soutien technique pour les futurs systèmes de communication optique à haute capacité.
e) Autres informations précieuses
L’équipe de recherche souligne que la surface de tous les démultiplexeurs conçus est inférieure à 1,4 × 10⁻³ mm², montrant un haut degré d’intégration et de compacité. De plus, la méthode de simulation FDTD et l’algorithme d’optimisation PSO utilisés dans l’étude constituent une référence importante pour des recherches similaires futures.
Conclusion et signification
Cet article ne montre pas seulement le processus de conception et d’optimisation d’un PC-MZI (dé)entrelaceur basé sur l’interférence multimodale, mais il offre également de nouvelles solutions pour les technologies de démultiplexage en longueur d’onde haute performance dans le domaine des communications optiques. La valeur scientifique de cette recherche réside dans la résolution des problèmes clés des conceptions MZI traditionnelles, tandis que sa valeur d’application se manifeste dans le soutien technologique fiable qu’elle fournit pour les réseaux optiques à haute capacité de nouvelle génération.