Qu’est-ce qu’un modulateur électro-optique ?
Un modulateur électro-optique (MEO) est un dispositif utilisé pour les applications de modulation à haut débit en convertissant les signaux électriques en signaux optiques pour la sortie.
Également appelés convertisseurs E/O (ou convertisseurs O/E lorsque la conversion est inversée), ils sont principalement utilisés dans le cadre d’un dispositif de transmission optique dans les communications par fibre optique. Dans les systèmes conventionnels, le signal utilisé pour la transmission d’informations du signal modulant est toujours un signal électrique.
Toutefois, pour réaliser des communications optiques utilisant des fibres optiques ultrarapides, à faible perte et à grande capacité, les signaux électriques doivent généralement être utilisés pour moduler la source lumineuse d’une manière ou d’une autre et être émis sous la forme d’un signal optique. Le dispositif qui joue ce rôle est le modulateur électro-optique.
Utilisations des modulateurs électro-optiques
Les modulateurs électro-optiques sont principalement utilisés pour convertir la modulation des signaux électriques pour la communication par fibre optique. Ils jouent un rôle extrêmement important dans la communication par fibre optique, qui est aujourd’hui le fondement de la transmission de l’information.
La communication par fibre optique est une méthode de communication optique qui permet une transmission à grande vitesse et sur de longues distances en utilisant des fibres optiques à faible perte et à large bande passante pour les lignes de communication au lieu de fils ordinaires, qui ont une perte élevée et sont sensibles au bruit. Pour mettre en place cette méthode, il faut un dispositif capable d’échanger de manière fluide des signaux électriques et optiques, c’est pourquoi on utilise un modulateur électro-optique.
Principe des modulateurs électro-optiques
Les principes de modulation de la lumière comprennent la “méthode de modulation directe”, dans laquelle la lumière est modulée en commutant directement la polarisation électrique du laser à semi-conducteur utilisé comme source de lumière, et la “méthode de modulation externe”, dans laquelle la lumière du laser à semi-conducteur est modulée à l’aide d’un modulateur LN (LiNbO3 : niobate de lithium), etc. Les deux types de méthodes de modulation sont les suivants :
1. Méthode de modulation directe
La modulation directe est une méthode dans laquelle la source de lumière, le laser à semi-conducteur lui-même, module le signal optique. L’avantage est que la structure simple permet la miniaturisation, mais la vitesse de réponse du laser à semi-conducteur lui-même est limitée et provoque des fluctuations de longueur d’onde connues sous le nom de “chirping”, ce qui la rend moins adaptée aux communications par fibre optique à grande capacité pour les lignes interurbaines, où une vitesse élevée est requise.
2. Méthode de modulation externe
Dans la méthode de modulation externe, la lumière d’une longueur d’onde constante est émise en continu par la source lumineuse, le laser à semi-conducteur. Cette lumière est introduite dans un modulateur électro-optique tel qu’un modulateur LN, et l’amplitude et la phase de la lumière sont modifiées par un signal électrique provenant de l’extérieur. Le principe est que le signal électrique est ensuite restitué sous forme de lumière modulée.
En général, les modulateurs électro-optiques sont les modulateurs utilisés dans cette méthode de modulation externe. Pour convertir la modulation électrique ON/OFF en modulation lumineuse ON/OFF, il est important de modifier l’amplitude et la phase de la lumière à grande vitesse, et des phénomènes physiques tels que l’interférence lumineuse et l’absorption de champ électrique sont utilisés à cette fin.
Les modulateurs électro-optiques à absorption de champ (de type EA) et les modulateurs LN de type Mach-Zehnder en sont des exemples spécifiques. Les modulateurs LN, souvent utilisés dans les communications optiques à grande capacité, ont un guide d’ondes lumineuses distribué en forme de Y. Ils peuvent renforcer ou affaiblir l’intensité de la lumière passant à travers le modulateur LN en appliquant une polarisation au guide d’ondes pour induire un déphasage de la lumière.
Cette technique élimine en principe le chirping (fluctuations de longueur d’onde) des méthodes de modulation directe, ce qui rend la modulation électro-optique particulièrement appropriée pour les communications par fibre optique à grande capacité et à grande vitesse.
Autres informations sur les modulateurs électro-optiques
1. Compensation de la dérive en courant continu des modulateurs LN
Les modulateurs LN se caractérisent par une faible perte et un faible gazouillis en raison de leur principe d’interférence Mach-Zehnder. Cependant, ils sont sujets à des variations de dérive de la sortie optique dues à des changements de température et à la dérive du courant continu.
C’est pourquoi les fabricants de modulateurs LN proposent généralement des contrôleurs de polarisation dédiés aux modulateurs LN qui corrigent automatiquement la polarisation en courant continu sur la base d’informations en retour provenant des DP et d’autres sources.
2. Innovations matérielles dans les modulateurs électro-optiques
Bien que les modulateurs LN puissent supprimer les fluctuations de longueur d’onde de manière extrêmement efficace par rapport aux méthodes d’absorption de champ et de modulation directe, des travaux de développement sont en cours pour réduire la taille et la consommation d’énergie, étant donné que la tension d’entraînement est relativement élevée (environ 5 V) et que la taille du modulateur est relativement importante (50 mm ou plus).
Récemment, les instituts de recherche de divers fabricants ont entrepris des travaux de recherche et de développement pour compenser les faiblesses des modulateurs LN, tels que les guides d’ondes optiques formés en anneau sur un substrat de silicium, connus sous le nom de photonique de silicium, et les guides d’ondes MQW (multiple quantum well) sur un semi-conducteur composé d’InP.
De plus, la recherche et le développement de la technologie de fusion optoélectronique à l’IWON de NTT, qui traite activement les signaux optiques sous forme de lumière à l’intérieur du circuit intégré sans avoir besoin d’un convertisseur E/O, sont également activement poursuivis pour des communications de capacité encore plus élevée à l’avenir.