Le ROADM proposé est compatible avec les systèmes de multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM) et par répartition en modes (MDM). Contrairement aux ROADM traditionnels pour systèmes WDM-MDM, notre innovation permet la reconfiguration simultanée des dimensions de mode et de longueur d'onde via un unique port d'insertion/extraction. Les pertes d'insertion des liaisons optiques, incluant les pertes de couplage de modes et les pertes de croisement, sont inférieures à 7,0 dB, tandis que la diaphonie du dispositif est maintenue en dessous de -13,4 dB. De plus, chaque port d'insertion/extraction peut décharger simultanément plusieurs signaux de données sur une seule forme d'onde de bus, ouvrant la voie à des applications potentielles dans les futurs centres de données à très haute capacité.

1. Introduction.
Au cours de la dernière décennie, le développement rapide du supercalcul, des services cloud et de l'Internet des objets a propulsé le domaine du traitement optique de l'information sur puce dans une période de croissance fulgurante. Cette croissance est attribuée aux avantages supérieurs du traitement optique de l'information par rapport au traitement électronique traditionnel, tels qu'une bande passante et des vitesses de traitement plus élevées [1–4]. Afin de répondre aux exigences croissantes de performance des réseaux optiques, diverses technologies de multiplexage ont été proposées et validées expérimentalement pour améliorer les capacités de traitement des données, notamment le multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM) [5–7], le multiplexage par répartition en polarisation (PDM) [8–10] et le multiplexage par répartition de modes (MDM) [11–14]. Parmi celles-ci, la technologie MDM a suscité un intérêt considérable car elle permet d'améliorer la capacité de la liaison optique à l'aide d'une seule source laser. Actuellement, un (dé)multiplexeur de modes d'ordre élevé à 16 canaux a été mis au point [15], ce qui signifie que la capacité de traitement des dispositifs peut être multipliée jusqu'à 16 fois par rapport à un canal monomode. De plus, l'intégration des technologies MDM et WDM permet d'accroître significativement le nombre de canaux de données dans les guides d'ondes du bus. De nombreux dispositifs optiques sur puce adaptés aux systèmes WDM-MDM ont été proposés, tels que les (dé)multiplexeurs de modes de longueur d'onde [16,17], les dispositifs de commutation de modes [18,19] et les émetteurs [20,21]. Face à l'évolution et à l'expansion continues des systèmes WDM-MDM, les chercheurs ont développé divers dispositifs pour le traitement de l'information au sein des réseaux optiques WDM-MDM. Parmi ces dispositifs, le multiplexeur optique reconfigurable d'insertion/suppression (ROADM) se distingue par sa capacité à charger et décharger des données sur les guides d'ondes du bus, une fonctionnalité essentielle au fonctionnement des systèmes WDM-MDM.

Plusieurs ROADM ont été proposés et mis en œuvre pour les systèmes MDM et WDM-MDM [22-25]. Par exemple, un type de ROADM permet un accès sélectif efficace à n'importe quel canal de mode/longueur d'onde en redistribuant le champ modal. Ce ROADM est capable de reconfigurer les longueurs d'onde à un seul port d'insertion/suppression en contrôlant la longueur d'onde de résonance des commutateurs à micro-anneaux [26]. Cependant, pour les systèmes WDM-MDM, aucun des ROADM proposés jusqu'à présent n'a permis une reconfiguration simultanée en longueur d'onde et en mode à un seul port d'insertion/suppression. L'augmentation du nombre de canaux entraîne une augmentation inappropriée du nombre de ports d'insertion/suppression dans les ROADM, ce qui complexifie le réseau optique. Il est donc essentiel de pouvoir reconfigurer à la fois en longueur d'onde et en mode à un seul port de chargement/déchargement.


Dans ce travail, nous proposons un ROADM pour les systèmes WDM-MDM basé sur la plateforme silicium sur isolant (SOI), qui présente une excellente reconfiguration en longueur d'onde et en mode au sein d'un unique port d'insertion/suppression. De plus, le ROADM proposé surmonte efficacement la limitation selon laquelle un seul canal peut être transmis ou reçu simultanément sur un port d'insertion ou de suppression. À titre de preuve de concept, nous démontrons un ROADM intégrant neuf canaux de données (trois canaux de longueur d'onde et trois canaux de mode) au sein d'un guide d'ondes bus. En contrôlant la matrice de commutation, des données locales peuvent être chargées simultanément sur trois canaux via un unique port d'insertion, tandis que le port de téléchargement peut télécharger les trois canaux correspondants. L'affaiblissement d'insertion (IL) de la liaison optique est inférieur à 7,0 dB et comprend principalement des pertes par couplage de mode et par croisement. De plus, la diaphonie (CT) du dispositif fabriqué est meilleure que -13,4 dB. Le dispositif proposé offre une excellente évolutivité et reconfiguration, permettant à chaque canal d'insertion/suppression de télécharger et de téléverser simultanément plusieurs signaux, répondant ainsi aux futures exigences de capacité de données plus élevées.

2. Principe et fabrication du dispositif.
La figure 1(a) présente le schéma du ROADM proposé, qui comprend deux multiplexeurs/démultiplexeurs de modes (M-(DE)MUX) et une matrice de commutation n×n à base de microrésonateurs annulaires (MRR). Tous les composants et guides d'ondes sont conçus pour une polarisation électrique quasi-transverse. À leur entrée dans le ROADM, les signaux optiques sont d'abord démultiplexés par le M-(DE)MUX en guides d'ondes monomodes avant d'être transmis à la matrice de commutation n×n. Les signaux entrant dans la matrice peuvent être injectés ou extraits via les ports d'addition (A1 à An) ou les ports de dérivation (D1 à Dn). Les signaux optiques non injectés ou extraits traversent directement la matrice de commutation et réintègrent le guide d'ondes multimode. Au sein de la matrice de commutation n×n, chaque rangée (ou colonne) de microrésonateurs annulaires fonctionne à une longueur d'onde différente.

figure1
Fig. 1. (a) Schéma du ROADM pour les systèmes WDM-MDM, (b) image microscopique du dispositif ROADM fabriqué.

À titre de preuve de concept, nous présentons un ROADM sur une plateforme SOI, comme illustré sur la figure 1(b). Le dispositif est fabriqué sur une plaquette SOI avec une couche supérieure de Si de 220 nm d'épaisseur et une couche de SiO₂ enterrée de 3 μm d'épaisseur. L'encombrement du dispositif est de 3 mm × 0,6 mm. Les guides d'ondes du dispositif sont formés par lithographie par faisceau d'électrons (EBL) et gravure plasma à couplage inductif (ICP). Le rayon des guides d'ondes en micro-anneaux du réseau de commutation est de 10 μm, et celui des autres guides d'ondes courbes des (DE)MUX est également de 10 μm. Le M-(DE)MUX du dispositif est basé sur des coupleurs directionnels asymétriques (ADC). Conformément à la condition d'accord de phase [27], l'indice de mode effectif TE₀ dans un guide d'ondes monomode de 0,45 μm de large est d'environ 2,36. Par conséquent, les largeurs des guides d'ondes multimodes sont fixées à 0,93 μm pour le couplage du mode TE1 et à 1,41 μm pour le couplage du mode TE2. Dans ce travail, l'entrefer de couplage du multiplexeur (M-(DE)MUX) a été conçu à 0,2 μm. Afin d'optimiser l'efficacité du couplage des modes, des longueurs de couplage de 27 μm et 34,5 μm ont été choisies pour TE1 et TE2, respectivement. Un cône adiabatique de 150 μm de long a été conçu entre les guides d'ondes de largeurs différentes afin de réduire la diaphonie entre les modes. Dans le réseau de commutation, l'entrefer de couplage entre les guides d'ondes à micro-anneaux et les guides d'ondes du mode fondamental a été fixé à 0,15 μm. Une couche de SiO₂ de 2 μm d'épaisseur a été déposée sur les guides d'ondes comme couche isolante. Pour modifier la longueur d'onde de résonance, un micro-chauffage en titane de 100 nm d'épaisseur et de 5 μm de largeur est déposé sur chaque MRR. Douze coupleurs à grille sont intégrés aux bornes des ports (ports d'addition, de dérivation, d'entrée et de sortie) afin de faciliter la communication avec les équipements externes, notamment l'entrée et la sortie de signaux optiques.

La longueur d'onde de résonance de chaque résonateur MRR du réseau de commutation peut être ajustée par effet thermo-optique [28]. Nous utilisons λ₁, λ₂ et λ₃, appelées les trois longueurs d'onde de travail. Par souci de simplicité, nous désignons par C<sub>ij</sub> (i = 0, 1, 2 ; j = 1, 2, 3) le canal de longueur d'onde (λ<sub>j</sub>) en mode TEi. En surveillant l'état de fonctionnement du réseau de commutation, les signaux souhaités provenant des différents canaux d'entrée C<sub>ij</sub> peuvent être acheminés vers le port de sortie Di correspondant (i = 1, 2, 3), chaque port de sortie pouvant acheminer les signaux de trois canaux. Simultanément, les signaux locaux véhiculés par différents canaux de longueur d'onde peuvent être injectés dans le réseau de commutation via les ports de sommation. Ces signaux locaux, ainsi que d'autres signaux d'entrée, peuvent être multiplexés sur le guide d'ondes du bus de sortie via le multiplexeur M. Chaque port d'agrégation Ai (i = 1, 2, 3) peut ajouter des signaux locaux à trois canaux sur le guide d'ondes du bus, de sorte que tous les canaux du guide d'ondes du bus peuvent être remplis par l'intermédiaire de ces trois ports d'agrégation.

Pour illustrer le fonctionnement de ce dispositif, nous présentons un schéma d'allocation de longueur d'onde pour le réseau de commutateurs. Ce schéma, ainsi que les fonctions des différentes unités de commutation, sont détaillés dans le Tableau 1. Chaque MRR peut ajouter ou supprimer le canal correspondant Cij (i = 0, 1, 2 ; j = 1, 2, 3). En combinant ces informations avec la Figure 1, il apparaît clairement que les MRR de chaque ligne et colonne du réseau fonctionnent à des longueurs d'onde différentes. Ce schéma d'allocation permet à chaque port d'ajout d'injecter trois signaux de canaux différents dans le guide d'ondes de sortie, et à chaque port de suppression de supprimer simultanément trois signaux de canaux correspondants. Prenons l'exemple des ports A1 et D1 : lorsque les MRR R1, R4 et R7 fonctionnent à leurs longueurs d'onde respectives, les signaux véhiculés par le canal λ1 peuvent être ajoutés au canal C21, ceux véhiculés par le canal λ2 au canal C12 et ceux véhiculés par le canal λ3 au canal C03, simultanément via le port A1. Simultanément, les signaux d'entrée véhiculés par les canaux C03, C12 et C21 peuvent être déchargés sur le port D1. Ainsi, le dispositif proposé permet de charger plusieurs canaux via un port d'entrée et de les décharger sur un port de sortie. L'utilisation de la modulation WDM impose l'exclusivité mutuelle des signaux de longueur d'onde lors des opérations de chargement et de déchargement. Pour la transmission de signaux de modes différents sur une même longueur d'onde, la technologie de multiplexage temporel (TDM) peut être employée. Cette technique améliore l'efficacité de la transmission par segmentation temporelle, à l'instar du mécanisme TDM des réseaux optiques passifs.

Tableau 1
Tableau 1. Schéma d'allocation des longueurs d'onde et fonction MRR


3. Résultats expérimentaux.
Avant de caractériser les performances du ROAMD fabriqué, nous avons mesuré les spectres statiques du M-(DE)MUX, réalisé sur la même puce, comme illustré sur la figure 2(a). Une source d'émission spontanée amplifiée (ASE) et un analyseur de spectre optique (OSA) ont été utilisés pour caractériser le M-(DE)MUX. L'ASE génère une lumière à large bande couvrant toute la bande C. Une fibre monomode standard a été utilisée pour coupler cette lumière au dispositif via un coupleur à grille. Une autre fibre monomode standard a permis de coupler les signaux optiques de sortie à l'OSA. Les figures 2(b) à 2(e) présentent les spectres de transmission du M-(DE)MUX lorsque la lumière est injectée respectivement dans les ports 1, 2, 3 et 4. L'affaiblissement d'insertion (IL) du multiplexeur (démultiplexeur) fabriqué est inférieur à 1,8 dB, tandis que la diaphonie (CT) est inférieure à -15,5 dB en bande C. L'affaiblissement d'insertion de notre dispositif fabriqué est supérieur à celui du dispositif simulé, ce qui pourrait être dû à une instabilité de la couche d'échange d'électrons (EBL). À l'avenir, nous pourrons concevoir le multiplexeur

(démultiplexeur) avec une structure plus robuste, respectant mieux les tolérances de fabrication, afin de réduire son affaiblissement d'insertion.

figure2
Fig. 2. (a) Micrographie du M-(DE)MUX fabriqué. Performances statiques d'une paire de multiplexeurs de mode avec les mêmes paramètres structurels lorsque l'entrée de lumière est effectuée au port 1 (b), au port 2 (c), au port 3 (d) et au port 4 (e).

Nous avons ensuite utilisé l'ASE et l'OSA pour caractériser les performances du ROADM fabriqué. En contrôlant les sorties des sources de tension accordables (TVS) appliquées aux micro-chauffages, l'état de la matrice de commutation peut être modifié. Ainsi, une gamme de spectres de réponse du dispositif fabriqué peut être observée grâce à l'OSA. Les longueurs d'onde de fonctionnement λ1, λ2 et λ3 ont été choisies respectivement à 1554,5 nm, 1556,0 nm et 1557,5 nm. Afin de mieux décrire le fonctionnement du dispositif, nous avons testé les fonctions de tous les ports d'ajout/suppression du ROADM, comme illustré sur les figures 3 et 4. Pour ce faire, nous avons utilisé les spectres de transmission d'un guide d'ondes rectiligne fabriqué sur la même puce afin de normaliser les spectres de transmission du dispositif. L'IL des liaisons optiques est inférieure à 7,0 dB, ce qui inclut principalement les pertes par couplage de modes et les pertes par croisement. Les pertes de couplage de mode du multiplexeur (M-(DE)MUX) sont de 0,9 à 1,0 dB pour le mode TE1 et de 0,95 à 1,1 dB pour le mode TE2, à une longueur d'onde optique comprise entre 1550 et 1560 nm. Les pertes de croisement du guide d'ondes sont de 0,4 à 0,6 dB dans cette même plage de longueurs d'onde. De plus, le coefficient de transfert de transmission (CT) du dispositif fabriqué est inférieur à -13,4 dB.

figure3
Fig. 3. Transmissions statiques aux ports de sortie (O0-O2) lorsque la lumière à large bande est introduite à partir des ports d'addition (A1-A3).

figure4
Fig. 4. Transmissions statiques aux ports de sortie (D1-D3), lorsque l'entrée lumineuse provient des ports d'entrée (I0-I1).

Lors du test expérimental, lorsque la longueur d'onde de résonance de chaque MRR atteint sa longueur d'onde de fonctionnement, les tensions appliquées aux résistances R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8 et R9 sont respectivement de 2,63 V, 1,64 V, 1,72 V, 1,29 V, 2,08 V, 2,01 V, 2,61 V, 3,00 V et 1,17 V. La résistance de chauffage étant d'environ 330 ohms, la consommation électrique varie de 4 mW à 27 mW. La figure 3 illustre les ports d'insertion Ai (i = 1, 2, 3) permettant d'injecter simultanément jusqu'à trois canaux optiques différents dans le guide d'ondes. Inversement, la figure 4 illustre les ports de téléchargement Di (i = 1, 2, 3) permettant de télécharger simultanément jusqu'à trois canaux optiques différents du guide d'ondes. Lorsque R1, R4 et R7 fonctionnent à leurs longueurs d'onde respectives, les liaisons optiques A1-O2, A1-O1 et A1-O0 sont maximales à 1554,5 nm, 1556,0 nm et 1557,5 nm, comme illustré sur les figures 3(a) à 3(c). Par conséquent, les signaux optiques de différentes longueurs d'onde injectés par le port A1 peuvent être chargés dans le canal correspondant du guide d'ondes. Dans ce cas, le port D1 peut télécharger simultanément des signaux dans différents canaux du guide d'ondes, comme illustré sur les figures 4(a) à 4(c). Lorsque R2, R5 et R8 fonctionnent à leurs longueurs d'onde respectives, les liaisons optiques A2-O2, A2-O1 et A2-O0 sont maximales à 1556,0 nm, 1557,5 nm et 1554,5 nm, comme illustré sur les figures 3(d) à 3(f). On observe que les signaux optiques des canaux C22, C13 et C01 peuvent être transmis via le port A2. Dans ce cas, le port D1 peut recevoir simultanément des signaux vers les canaux C22, C13 et C01, comme illustré sur les figures 4(d) à 4(f). Sur les figures 3(g) à 3(i), lorsque R3,
R6 et R9 fonctionnent à leurs longueurs d'onde respectives, les liaisons optiques A3-O2, A3-O1 et A3-O0 atteignent leurs longueurs d'onde maximales de 1557,5 nm, 1556,0 nm et 1554,5 nm, respectivement. Dans cette configuration du réseau de commutation, les signaux optiques des canaux C23, C11 et C02 peuvent être transmis via le port A3. Le port D1 peut alors transmettre simultanément des signaux vers les canaux C23, C11 et C02, comme illustré sur les figures 4(g) à 4(i). De plus, pour illustrer les temps de commutation des unités de commutation, prenons l'unité R9 comme exemple. Un signal d'entrée électrique est appliqué à l'unité R9 afin de commander l'établissement de la liaison optique pour le canal C02. La figure 5 présente la réponse de sortie du canal C02. Les résultats montrent que le temps de commutation en mode ajout/suppression est d'environ 24,0 µs pour la montée et de 37,2 µs pour la descente.

figure5
Fig. 5. Réponse dynamique mesurée du MRR au réglage thermique.

Enfin, une expérience de transmission de données à haut débit a été menée sur le ROADM fabriqué. En raison des limitations de l'équipement, les liaisons optiques du ROADM ont été testées individuellement. La lumière, à la longueur d'onde de fonctionnement correspondant à la liaison optique de test, a d'abord été générée par un laser accordable (Santec, TSL570) et injectée dans un contrôleur de polarisation afin de garantir une polarisation TE. La lumière a ensuite été modulée par un modulateur électro-optique, piloté par une séquence binaire pseudo-aléatoire de 20 Gbit/s et de longueur 2<sup>10</sup>, générée par un générateur de formes d'onde arbitraires (Keysight, M8196A). Le signal modulé a ensuite été injecté dans la puce et reçu par un analyseur de communications numériques (Keysight, 86100D). Comme illustré sur la figure 6, les diagrammes de l'œil mesurés présentent un taux d'extinction (TE) supérieur à 11,83 dB, démontrant ainsi les bonnes performances du ROADM fabriqué en communication à haut débit. Pour atteindre des vitesses de commutation élevées, d'autres technologies de modulation avancées, telles que l'effet de diffusion plasma [29], peuvent être utilisées pour moduler les unités de commutation.
Figure 6. Diagrammes de l'œil mesurés lors de l'expérience de transmission de données à 20 Gbit/s pour le ROADM fabriqué.

4. Conclusion
Dans cet article, nous avons proposé un ROADM n×n pour les systèmes WDM-MDM, basé sur une matrice de commutation sur une plateforme SOI. Ceci permet la reconfiguration simultanée des dimensions de mode et de longueur d'onde via un unique port d'insertion/suppression, offrant ainsi une plus grande flexibilité et une meilleure efficacité dans la gestion des réseaux optiques. À titre de preuve de concept, nous avons fabriqué un dispositif ROADM 3×3. Les résultats expérimentaux montrent que chaque port d'insertion/suppression peut charger/décharger différents signaux sur le guide d'ondes bus en contrôlant le réseau de microrésonateurs. L'IL, englobant les composants de (dé)multiplexage de mode, est inférieure à 7,0 dB, tandis que le niveau CT du ROADM est meilleur que -13,4 dB, garantissant une interférence minimale entre les différents canaux et maintenant une intégrité du signal élevée. Enfin, la transmission de données à haut débit du dispositif est démontrée, et les résultats expérimentaux montrent que chaque port d'insertion/suppression fonctionne à 60 Gbit/s (3 × 20 Gbit/s). De plus, le dispositif ROADM proposé présente une excellente évolutivité, capable de répondre aux futures exigences en matière de traitement des données, ce qui en fait un composant puissant et pérenne dans les architectures de systèmes de communication optique avancés.


Financement :
Programme national chinois de recherche et de développement (2022YFB2804202) ; Fondation nationale chinoise des sciences naturelles (62405125, W2411059) ; Recherche et développement clés de la province du Gansu (24YFGA007) ; Fondation provinciale des sciences naturelles du Gansu (23JRRA1026) ; Laboratoire d'État clé des systèmes et réseaux de communication optique avancés (2024GZKF12).


Déclarations
Les auteurs déclarent n'avoir aucun conflit d'intérêts.


Disponibilité des données
Les données sur lesquelles reposent les résultats présentés dans cet article ne sont actuellement pas accessibles au public, mais peuvent être obtenues auprès des auteurs sur demande raisonnable.
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