Communication optique en espace libre à haute puissance et à grande vitesse : modulation directe d’un laser à émission de surface à cristal photonique de l’ordre du watt

Introduction

Les lasers à semi-conducteurs, en tant que sources lumineuses importantes pour les communications optiques, sont largement utilisés en raison de leurs petits volumes, de leurs coûts réduits, de leurs longues durées de vie et de leurs hautes efficacités. Par exemple, les lasers à émission de surface à cavité verticale (VCSELs) sont adaptés aux interconnexions optiques courtes distances dans les centres de données en raison de leur faible consommation d’énergie et de leur capacité de modulation directe à large bande ; alors que les lasers à rétroaction distribuée (DFB) sont largement utilisés dans les communications optiques longue distance en raison de leurs caractéristiques de fonctionnement monomode. Récemment, les communications optiques en espace libre (FSO) utilisant des lasers à semi-conducteurs ont attiré beaucoup d’attention car elles peuvent réaliser des transmissions à haute vitesse sur de longues distances sans fibres optiques. La technologie FSO a des applications potentielles dans les réseaux de retour et de transport pour la communication au-delà de la 5G et future 6G, les communications inter-satellites et les communications spatiales profondes. Dans ces applications, les caractéristiques de haute puissance et de faisceau étroit des lasers sont particulièrement importantes. Cependant, les lasers à semi-conducteurs traditionnels comme les VCSELs et les DFB ne peuvent pas simultanément répondre à des exigences de haute puissance et de fonctionnement à grande vitesse sur une seule puce.

La solution basée sur les lasers à émission de surface à cristal photonique (PCSELs) peut résoudre ces problèmes. Les PCSELs peuvent réaliser un fonctionnement monomode à grande échelle en utilisant des points de résonance dans les cristaux photoniques bidimensionnels, permettant ainsi une haute puissance de sortie et une largeur de faisceau étroite. La haute puissance et la largeur de faisceau étroite de ces lasers les rendent très prometteurs pour les applications dans les communications optiques en espace libre, et contrairement aux émetteurs de lumière traditionnels, ils n’ont pas besoin de systèmes optiques amplificateurs de fibres complexes et de lentilles pour gérer la lumière.

Source de l’étude

Cette recherche a été réalisée par Ryohei Morita et ses collaborateurs, qui appartiennent à l’Université de Kyoto, l’Université de Tohoku et le KDDI Research Institute, entre autres institutions. Cette étude a été publiée dans le journal « Optica » en juillet 2024.

Détails de l’étude

Processus de recherche

1. Conception et calcul de la réponse en fréquence :

   • Conception de l’appareil : Premièrement, l’équipe de recherche a conçu un PCSEL capable de réaliser simultanément une haute puissance et une modulation directe à grande vitesse. En calculant la réponse en fréquence intrinsèque (optique) et parasitaire (électrique) d’un PCSEL de l’ordre du watt, l’équipe de recherche a démontré que la modulation directe de plusieurs GHz est faisable dans une grande zone laser.
   • Calculs numériques : L’équipe de recherche a utilisé la théorie des ondes couplées tridimensionnelle et a pris en compte les porteurs et les effets thermiques pour calculer les caractéristiques de réponse en fréquence, la puissance lumineuse de sortie et le courant d’entrée correspondants.

2. Fabrication de dispositifs et validation expérimentale :

   • Fabrication de dispositifs : Sur la base des résultats des calculs, l’équipe de recherche a fabriqué un PCSEL de 500 µm de diamètre, réalisant une opération en onde continue (CW) de l’ordre du watt et une modulation directe de plusieurs GHz.
   • Validation expérimentale : En validant expérimentalement les caractéristiques de réponse en fréquence et en exécutant des expériences de transmission en espace libre, l’équipe a démontré une transmission à haute vitesse de plus de 10 Gbps avec le PCSEL sans utiliser d’objectif émetteur, réalisant une transmission longue distance virtuelle de 5 kilomètres.

3. Détails de la réponse en fréquence :

   • Caractéristiques électriques : La réponse en fréquence du PCSEL inclut les caractéristiques électriques intrinsèques et parasitaires. La réponse en fréquence intrinsèque est déterminée par les caractéristiques de résonance de relaxation du laser, tandis que la réponse en fréquence parasitaire est déterminée par les caractéristiques des circuits RC formés par les fils et les soudures. Les calculs numériques ont permis d’optimiser la conception pour réaliser une modulation haute fréquence.

Principaux résultats expérimentaux

1. Réalisation de la puissance de l’ordre du watt et de la réponse en fréquence :

   • Dans les expériences, le PCSEL de 500 µm de diamètre a réalisé une sortie de puissance lumineuse de l’ordre du watt avec une injection de courant de 3 A, tout en réalisant une largeur de bande de modulation de plus de 3 GHz.
   • Les motifs du faisceau dans le champ lointain montrent que ce PCSEL possède une largeur de faisceau étroite, une opération monomode et un petit angle de divergence du faisceau, indiquant ses excellentes performances optiques en transmission en espace libre.

2. Expériences de communication optique à haute vitesse :

   • Dans les expériences de transmission en espace libre, l’équipe de recherche a utilisé la modulation directe du PCSEL de l’ordre du watt pour réaliser une transmission à une vitesse de plus de 10 Gbps, et par la modulation du signal 64QAM, une transmission longue distance virtuelle de 5 kilomètres.
   • Les résultats expérimentaux montrent que la combinaison de la modulation haute vitesse et de la sortie haute puissance permet de réaliser une communication optique en espace libre efficace sans amplificateurs supplémentaires ni lentilles.

Conclusion et valeur

Cette étude a montré les performances exceptionnelles des lasers à émission de surface à cristal photonique dans des conditions de modulation directe à haute puissance et vitesse grâce à des calculs numériques, à la conception des dispositifs, à leur fabrication et à la validation expérimentale. En particulier, l’équipe de recherche a conçu un PCSEL avec une puissance de sortie de l’ordre du watt et une largeur de bande de modulation de quelques GHz, et a validé expérimentalement sa valeur pratique dans les communications optiques en espace libre.

La combinaison de haute puissance et de largeur de faisceau étroite des PCSELs leur confère des avantages uniques dans les communications FSO longue distance. De plus, leur caractéristique de ne nécessiter aucun système optique complexe ni amplificateur de fibre augmente leur potentiel d’application dans les communications optiques. En outre, en raison de leur taille de cavité grande, les PCSELs ont le potentiel d’opérer avec une largeur de raie étroite, les rendant également importants pour les communications optiques cohérentes futures.

Points forts de la recherche

1. Combinaison de haute puissance et de modulation rapide : Cette étude a démontré les performances exceptionnelles des PCSELs sous des conditions de puissance de l’ordre du watt et de modulation rapide de plusieurs GHz, ouvrant de nouvelles possibilités pour la technologie de communication optique.
2. Système de communication optique simplifié : En n’ayant besoin ni d’amplificateurs de fibre complexes ni de systèmes de lentilles, cette étude a réalisé une communication optique plus simple et plus efficace, permettant une miniaturisation et une économie d’énergie accrues pour les dispositifs de communication futurs.
3. Possibilité de transmission longue distance : L’expérience a réussi à simuler une transmission en espace libre sur plus de 5 kilomètres, prouvant la faisabilité et les avantages des PCSELs de l’ordre du watt pour les communications optiques longue distance.

Autres informations de valeur

L’étude montre qu’en augmentant encore la zone d’émission du laser, en améliorant la structure de l’appareil et en optimisant la performance de refroidissement, il est possible de réaliser des puissances de sortie plus élevées et des largeurs de bande de modulation plus larges. De plus, en raison de la grande taille de cavité des PCSELs, la recherche présente également un potentiel important pour les futures applications en communication optique cohérente. Cette recherche non seulement démontre les performances exceptionnelles des PCSELs sous des conditions de haute puissance et de haute vitesse, mais indique également la direction pour les communications optiques plus complexes et de longue distance à l’avenir.