L'interféromètre de Mach-Zehnder actif, communément appelé SOA-MZI (interféromètre de Mach-Zehnder à base de SOA), est un dispositif extrêmement polyvalent dans le domaine du traitement du signal optique. Parmi ses nombreuses applications figurent la commutation optique, la conversion de longueur d'onde, les fonctions logiques numériques, la régénération de signaux optiques, etc. Il s'agit d'un dispositif optique intégré dont le fonctionnement repose sur un phénomène d'interférence d'ondes contrôlé par une série de signaux de commande. Dans cet article, nous expliquerons son fonctionnement de base et présenterons quelques exemples d'applications disponibles sur le marché.

Structure et fonctionnement de base d'un SOA-MZI.
La structure la plus générale d'un SOA-MZI est illustrée sur la figure 1. Comme on peut le constater, il comporte huit ports d'entrée/sortie optiques. Ces ports sont interconnectés par une série de guides d'ondes optiques 1x2 et 2x2 et de coupleurs, ces derniers étant responsables du comportement interférométrique. Les deux branches principales comprennent deux amplificateurs optiques à semi-conducteurs (SOA) fonctionnant en mode non linéaire. Plusieurs méthodes de fabrication existent, notamment la fabrication monolithique et l'intégration hybride. Dans le premier cas, les SOA sont généralement fabriqués sur du phosphure d'indium (InP) par dépôt chimique en phase vapeur aux organométalliques (MOCVD), un procédé qui permet la croissance des régions actives et passives du dispositif. Dans le second cas, un circuit optique planaire est réalisé sur silice avec les guides d'ondes optiques, puis les SOA sont insérés (figure 2). Dans ce dernier cas, l'alignement et le couplage de la lumière entre les SOA et les guides d'ondes sont cruciaux.
Après avoir expliqué sa structure, nous allons maintenant aborder les principes de fonctionnement de base du SOA-MZI. Supposons qu'un signal de données optique soit appliqué à l'entrée n° 2. En l'absence d'autres signaux, ce signal se divise dans le coupleur d'entrée 2x2, traverse les deux branches principales de l'interféromètre (en passant par les SOA) et se recombine dans le coupleur de sortie 2x2, pour finalement sortir par l'entrée n° 7. Ce comportement s'explique par le fait que les deux coupleurs 2x2 introduisent un déphasage de 90° au signal optique en configuration en croix, alors qu'ils n'introduisent aucun déphasage en configuration en barre. Par conséquent, les déphasages subis par les signaux de sortie optiques aux entrées n° 6 et n° 7 sont représentés schématiquement sur les figures 3 et 4, respectivement. Autrement dit, en l'absence d'autres signaux, le signal d'entrée est annulé à l'entrée n° 6 (0° et 180°), tandis qu'il est ajouté en phase à l'entrée n° 7 (90° et 90°).
Supposons maintenant qu'un signal de commande soit appliqué à l'entrée n° 1. Si la puissance optique est suffisante pour induire un déphasage de 180° sur le signal traversant le SOA1 grâce au processus non linéaire de modulation de phase croisée (XPM), le comportement du SOA-MZI s'inverse. Le signal est alors annulé au niveau du port n° 7 (180° et 180°) et ajouté en phase au niveau du port n° 6 (270° et 90°). On obtient ainsi un fonctionnement en tant que commutateur optique commandé par impulsions (figure 1). Ce principe de base permet de réaliser de nombreuses fonctions supplémentaires, simplement en modifiant le type de signaux et les ports d'entrée et de sortie.

Applications commerciales
Comme mentionné précédemment, ces dernières années, un certain nombre de fabricants de composants ont émergé proposant des dispositifs optiques à base de SOA-MZI dans leurs catalogues.

 

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Parmi ces dispositifs, on peut citer les convertisseurs de longueur d'onde avec régénération de signal optique. À titre d'exemple, la figure 5 présente une photographie du convertisseur et régénérateur de longueur d'onde 2R du CIP (Centre for Integrated Photonics). Ce dispositif permet de traiter des signaux à 40 Gbit/s et couvre la gamme de longueurs d'onde de 1530 à 1565 nm. Il convient de noter, parmi ses caractéristiques, sa faible consommation d'énergie de commutation. (
Comme on peut le constater sur les figures 5 et 6, les dispositifs de tous les fabricants intègrent des ports optiques et électriques. Les ports électriques servent à alimenter les amplificateurs optiques à semi-conducteurs (SOA) et à réguler leur température grâce à l'intégration d'une thermistance et d'un refroidisseur thermoélectrique (Peltier) dans le boîtier.)

Autres applications :
Bien qu’ils n’aient pas encore fait leur entrée sur le marché commercial, d’autres applications des SOA-MZI sont à l’étude, notamment dans le domaine du calcul optique. Plus précisément, il a été démontré expérimentalement que ces dispositifs peuvent être utilisés pour implémenter des portes logiques et des bascules. Ces fonctions sont bien connues en électronique numérique, mais moins répandues en photonique. Cela s’explique principalement par le fait que, jusqu’à présent, la photonique ne dispose pas d’un équivalent du transistor électronique.

 

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Par conséquent, la construction de portes logiques optiques nécessite le recours à d'autres techniques, notamment l'utilisation d'un SOA-MZI. En alimentant les ports optiques du SOA-MZI avec les signaux de données appropriés, on peut réaliser toute une série de fonctions logiques de base : OU, ET, OU exclusif (XOR) et NON.
Les applications des portes logiques sont innombrables, mais l'une d'entre elles se distingue particulièrement. La porte logique OU exclusif (XOR) permet de comparer des mots de données. Ceci est crucial dans le domaine des réseaux de paquets optiques. Au niveau des nœuds d'un réseau optique, les en-têtes des paquets doivent être analysés afin de les acheminer vers le port de sortie correspondant. La porte logique OU exclusif optique permet de comparer ces en-têtes avec des adresses de référence directement dans le domaine optique, c'est-à-dire sans avoir besoin de convertir les paquets dans le domaine électrique. Cela offre plusieurs avantages, le principal étant la réduction du temps d'acheminement des paquets, ce qui permet d'augmenter la capacité de ces nœuds, jusqu'à des valeurs de l'ordre du térabit par seconde (Tbit/s). Malheureusement, il nous faudra encore patienter quelques années, même si, dans un premier temps, on trouve déjà dans les catalogues des fabricants quelques références à la capacité du SOA-MZI à réaliser une « logique optique ».

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Francisco Ramos Pascual. Docteur en ingénierie des télécommunications.
Professeur titulaire à l'Université polytechnique de Valence.