Les dernières décennies ont été témoins d'une flambée sans précédent du trafic de données, nécessitant un besoin urgent de liaisons optiques ultra-rapides. Cela a donné l'impulsion aux systèmes de transmission optique à haute capacité de nouvelle génération. Dans ces systèmes, des modulateurs optiques intégrés ayant une bande passante élevée, économe énergétiquement, compacts, stables et adaptés à une intégration à grande échelle sont très demandés. La plate-forme de photonique sur silicium (SiP), bien qu'elle souffre de l'absence d'effets électro-optiques inhérents dans la silice, s'est néanmoins avéré être une solution rentable pour les transmetteurs de haute capacité puisqu'elle tire parti du processus CMOS mature. Par conséquent, un effort considérable a été consacré au développement d'appareils de haute performance sur cette plate-forme. Cette thèse se concentre sur les transmetteurs SiP pour la prochaine génération de réseaux optiques où l'espace, en tant que dernière dimension physique, est proposé pour surmonter le « manque de capacité » associé à la technologie actuelle. Pour construire de tels transmetteurs, il faut intégrer un ensemble de modulateurs optiques dans une seule puce. Ces modulateurs doivent simultanément se caractériser par un fonctionnement à grande vitesse, une faible consommation d'énergie, un encombrement réduit et une grande stabilité. Les modulateurs SiP bien connus, tels que les modulateurs à micro-anneaux (MRM) et les modulateurs Mach-Zehnder (MZM), ne répondent pas à tous les critères susmentionnés. Les MRM présentent une faible performance en termes de stabilité et les MZM sont gourmands en énergie. C'est pourquoi nous étudions des modulateurs SiP nouveaux et avancés dans deux chapitres de cette thèse. Pour la première fois, nous faisons la démonstration de modulateurs SiP basés sur la conversion de mode. Lorsqu'opérés en réflexion, les modulateurs de Bragg offrent un rendement élevé ainsi qu'un fonctionnement à grande vitesse. Cependant, les modulateurs fonctionnant en réflexion sont gênés par le manque de circulateurs sur puce. Nous abordons cette question et présentons expérimentalement un modulateur SiP basé sur des guides d'ondes asymétriques à réseau de Bragg suivis d'un coupleur directionnel asymétrique (ou jonction Y asymétrique), offrant des opérations en réflexion sans avoir besoin de circulateurs et avec de faibles pertes sur la puce. Dans notre deuxième contribution, nous faisons la démonstration du premier modulateur à lumière lente basé sur des résonateurs à réseau de Bragg couplés (BGR), un MZM assisté par des BGR couplés. Les BGR, composés de cavités à faible facteur Q en série, ralentissent les ondes optiques dans une large bande passante optique (quelques nanomètres). Cela permet au modulateur d'améliorer la modulation de phase sur une gamme de longueurs d'onde de fonctionnement relativement large, ce qui se traduit par des performances plus stables par rapport aux modulateurs à résonance unique (p. ex., les MRM). Atteignant un bon équilibre dans les indicateurs de performance, le MZM assisté par les BGR peut être reconnu comme un choix potentiel pour les futurs systèmes de multiplexage par répartition en longueur d'onde/espace (SDM/WDM). Suite à notre démonstration pionnière, nous étudions, comme troisième contribution, l'impact de l'effet de lumière lente sur la performance des modulateurs SiP, le compromis existant entre efficacité et vitesse en particulier. Lorsque l'efficacité est améliorée dans des modulateurs SiP typiques, soit en augmentant la capacité de la jonction PN (dans les MZM), soit en introduisant des structures hautement résonantes (dans les MRM), cela entraîne également une augmentation de la constante de temps RC ou de la durée de vie des photons, respectivement, et donc une diminution de la largeur de bande électro-optique (EO). Dans ce chapitre, nous proposons de remettre en question ce compromis pour les modulateurs à lumière lente et d'étudier s'ils sont capables de surpasser les modulateurs SiP typiques. À cette fin, il est nécessaire de disposer de modèles complets de la réponse EO de ces modulateurs, intégrés soit avec des électrodes en bloc, soit avec des électrodes mobiles. À l'aide de ces modèles, nous comparons les modulateurs à lumière lente avec les MZM convectifs. Nous examinons également différentes méthodes de conception pour réduire les V[indice π] des modulateurs SiP afin qu'ils puissent répondre aux exigences des pilotes COMS et des interfaces électriques pour la prochaine génération de transmetteurs SiP. Dans notre quatrième contribution, nous faisons état d'un modulateur tout silicium à lumière lente qui permet un fonctionnement à grande vitesse du PAM sans utiliser de convertisseur numérique-analogique (CNA) électrique. Les BGR sont intégrés dans chaque bras d'un MZM an de ralentir les ondes optiques, ce qui améliore la modulation de phase sur une bande passante optique relativement importante. Le signal optique PAM à 4 niveaux est généré par une conception segmentée dans des déphaseurs à lumière lente avec deux signaux de commande binaires, ce qui élimine le besoin d'un CNA à grande vitesse. Ce modulateur combine les avantages d'un encombrement ultra-compact, d'une faible consommation d'énergie, d'une large bande passante électro-optique et d'un fonctionnement stable en présence de variations de température. Les guides d'ondes à lumière lente présentent de bonnes performances avec de faibles variations de la longueur d'onde centrale et de la largeur de bande sur la plaquette. Ce modulateur devrait être singulièrement intéressant pour les applications qui nécessitent un groupe de modulateurs compacts sur une seule puce. Enfin, pour notre cinquième contribution, nous poursuivons l'objectif de développer des transmetteurs optiques SDM à haute performance adaptés aux systèmes de transmission optique à haute capacité de la prochaine génération. Nous proposons des transmetteurs optiques présentant un rendement énergétique élevé, une densité de bande passante élevée, une stabilité relativement élevée et entièrement intégrés dans la plateforme SiP (une solution rentable). Nous discutons des méthodologies de conception et des exigences de ces transmetteurs SDM qui consistent en des modulateurs à lumière lente (MZMs assistés par des BGRs) suivis d'un multiplexeur modal sur puce. Nous ciblons les systèmes à courte et longue portée en concevant respectivement des modulateurs PAM à électrodes groupées et des modulateurs IQ à électrodes à ondes progressives. Afin de multiplexer spatialement les signaux provenant des modulateurs, nous faisons la démonstration d'une conception de multiplexeurs modaux sur puce basée sur des coupleurs directionnels asymétriques. Nous mettons en cascade trois de ces coupleurs pour créer quatre canaux spatiaux (TE0, TE1, TE2 et TE3). Pour réaliser une transmission MDS complète. Cette sortie multiplexée spatialement doit être injectée dans une fibre à noyau elliptique faiblement multimode supportant les mêmes modes. / Recent decades have witnessed an unprecedented surge in data traffic, necessitating an urgent need for ultra-fast optical links. This has provided the impetus for the next-generation high-capacity optical transmission systems. In these systems, integrated optical modulators that are high-bandwidth, power efficient, compact, stable, and suited-for-large-scale-integration are highly demanded. The silicon photonics (SiP) platform, although it suffers from the lack of inherent electro-optic effects in silicon, has nevertheless offered a cost-effective solution for high-capacity transmitters leveraging the mature CMOS process. Hence, a tremendous effort has been dedicated to developing high-performance devices in this platform. This thesis focuses on SiP transmitters for the next generation of optical networks where space, as the last physical dimension, is offered to overcome the "capacity crunch" associated with the current technology. To build such transmitters, a set of optical modulators is required to be integrated into a single chip. These modulators should simultaneously feature high-speed operation, low energy consumption, compact footprint, and stability. Well-known SiP modulators, such as micro-ring modulators (MRMs) and Mach-Zehnder modulators (MZMs), do not meet all the aforementioned criteria. MRMs present a poor performance in terms of stability and MZMs are energy-hungry. Hence, we investigate novel and advanced SiP modulators in two chapters of this thesis. As our first contribution, for the first time, we demonstrate mode-conversion based SiP modulators. If operated in reflection, Bragg modulators offer high efficiency as well as high-speed operation. However, modulators operating in reflection are hindered by the lack of on-chip circulators. We address this issue and experimentally present a SiP modulator based on asymmetric Bragg grating waveguides followed by an asymmetric directional coupler (or asymmetric Y-junction), offering operation in reflection without the need for circulators and with low on-chip loss. In our second contribution, we demonstrate the first slow-light modulator based on coupled Bragg-grating resonators (BGRs), an MZM assisted by coupled BGRs. BGRs, composed of low-Q-factor cavities in series, slow down optical waves in a broad (a few nanometers) optical bandwidth. This enables the modulator to enhance phase modulation across a relatively wide operating wavelength range, resulting in more stable performance compared to single-resonance-based modulators (e.g., MRMs). Achieving a good balance in the performance indicators, the MZM assisted by BGRs can be recognized as a potential choice for future space/wavelength division multiplexing (SDM/WDM) systems. Following our pioneering demonstration, as the third contribution, we study the impact of the slow-light effect on the performance of SiP modulators, the existing trade-off between efficiency and speed in particular. When efficiency is enhanced in typical SiP modulators, either by increasing PN junction capacitance (in MZMs) or by introducing highly resonant structures (in MRMs), it also leads to increasing the RC time constant or the photon lifetime, respectively; thus, spoiling the electro-optic (EO) bandwidth. In this chapter, we aim to challenge this tradeoff in slow-light modulators and investigate whether they are capable of outperforming typical SiP modulators. To this end, comprehensive models for the EO response of these modulators integrated either with lumped electrodes or with travelling-wave electrodes are required. Using these models, we compare slow-light modulators with convectional MZMs. We also examine different design methodologies for reducing V[subscript π] of SiP modulators so that they can meet the requirements of CMOS drivers and electrical interfaces for the next generation of SiP transmitters. In our fourth contribution, we report a slow-light all-silicon modulator that enables high-speed PAM operation without using an electrical digital-to-analog converter (DAC). BGRs are integrated into each arm of a MZM in order to slow down optical waves, enhancing the phase modulation over a relatively large optical band width. Optical 4-level PAM signal is generated using a segmented design in slow-light phase shifters with two binary driving signals, eliminating the need for a high-speed DAC. This modulator combines advantages of ultra-compact footprint, low energy consumption, large electro-optic bandwidth, and stable operation in the presence of temperature variations. The slow-slight waveguides show good performance with small variances in center wavelength and bandwidth across the wafer. This modulator should be singularly interesting for applications that require a group of compact modulators on a single chip. Finally as our fifth contribution, we pursue the goal of developing high-performance optical SDM transmitters suited for next-generation high-capacity optical transmission systems. We propose optical transmitters featuring high power efficiency, high bandwidth density, relatively high stability, and fully integrated in the SiP platform (a cost-effective solution). We discuss design methodologies and requirements of these SDM transmitters which consist of slow-light modulators (MZMs assisted by BGRs) followed by an on-chip mode multiplexer. We target both short-reach and long-haul systems in designing PAM modulators with lumped electrodes and IQ modulators with travelling-wave electrodes, respectively. In order to spatially multiplex the signals coming from the modulators, we demonstrate a design of on-chip mode multiplexers based on asymmetric directional couplers. We cascade three of these couplers to create four spatial channels (TE0, TE1, TE2, and TE3). To realize a full SDM transmission, this spatially multiplexed output should be injected into a few-mode elliptical-core fiber supporting the same modes.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/69491 |
| Date | 07 July 2021 |
| Creators | Jafari, Omid |
| Contributors | LaRochelle, Sophie, Shi, Wei |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xxviii, 141 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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