L'amplication optique

Comme indiqué sur la gure 1.3, une ligne de transmission est divisée en tronçons réguliers - 100 km ou 20 dB de pertes pour des systèmes ter- restres - séparés par des sites d'amplication. Deux types d'amplication sont couramment employés : l'amplication à bre dopée Erbium et dans une moindre mesure l'amplication Raman. Il est possible d'utiliser l'un ou l'autre ou de combiner les deux - on parle alors d'amplication hybride. Ces techniques permettent d'amplier simultanément de façon transparente un multiplex de canaux répartis sur toute la bande C. L'introduction des amplicateurs à bre dopée Erbium (EDFA en anglais) a révolutionné les télécommunications optiques en permettant l'utilisation du multiplexage en longueur d'onde.

L'amplication à bre dopée Erbium

L'amplicateur à bre dopée Erbium fournit une amplication sur une bande de gain de 30 nm environ. Le milieu actif est un tronçon de bre dopée avec des ions Erbium. L'injection de puissance optique dans la bre par un laser de pompe à 980 nm ou 1480 nm permet d'obtenir une inver- sion de population des ions Erbium : la majorité d'entre eux passe de l'état fondamental à un état excité. Le signal qui passe alors dans l'amplicateur favorise la désexcitation radiative des ions Erbium, ce qui assure son ampli- cation grâce au phénomène d'émission stimulée. Les puissances de pompe nécessaires sont de l'ordre de 200 mW pour des gains de 20 à 30 dB, et une puissance de saturation de 20 dBm.

Mais toute amplication optique s'accompagne de la génération d'émis- sion spontanée ampliée. En eet, les ions Erbium peuvent revenir à leur état non excité de façon spontanée par l'émission d'un photon avec une phase aléatoire. Ce photon peut à son tour être amplié par émission stimulée. Ces photons  aléatoires  ainsi créés et ampliés ne peuvent être séparés du signal et constituent un bruit parasite appelé émission spontanée ampliée (ASE ou amplied spontaneous emission en anglais).

Ainsi un EDFA fournit du gain au signal mais y ajoute du bruit optique d'ESA. La puissance d'ESA apportée par un EDFA par hertz de bande dé- pend directement de son gain :

avec h la constande de Plank, ν la fréquence optique, G le gain de l'am- plicateur et nsp le facteur d'émission spontanée de l'amplicateur. Nous

avons vu au paragraphe 1.2.3.1 que ce bruit va battre avec le signal en ré- ception et dégrader les performances. Une mesure commode de l'apport d'un amplicateur en termes de bruit optique est le facteur de bruit ou NF qui vaut :

NF = 1/G + 2nsp(G − 1)/G (1.13)

En particulier, avec une inversion de population totale, et pour un gain suf- samment grand, le facteur de bruit vaut 2. La limite quantique pour le facteur de bruit d'un EDFA à grand gain est donc de 2, soit 3 dB.

Pour quantier l'ajout de bruit d'un EDFA au signal qu'il amplie, nous pouvons employer le rapport signal à bruit optique (ou OSNR). L'OSNR est déni comme le rapport de la puissance du signal à la puissance de bruit mesurée dans une bande optique de référence, usuellement prise comme celle qui correspond à une plage de longueur d'onde de 0,1 nm autour de 1550 nm, soit environ 12,5 GHz :

OSNRx nm=

P sig

PESA x nm (1.14)

Plus le rapport signal sur bruit optique est faible, plus il y a de bruit et plus les performances sont dégradées.

Dans une ligne de transmission, chaque amplicateur optique va apporter sa contribution à la puissance de bruit. L'OSNR va donc diminuer avec la distance de propagation, comme illustré sur la gure 1.10. L'OSNR mesuré sur 0,1 nm pour un canal de puissance Pin (dBm), qui se propage au travers

de Namp pas de perte Lpas en dB avec des amplicateurs optiques compen-

sant exactement les pertes des pas et de facteur de bruit en dB NFdB, vaut

approximativement :

OSNRdB = 58 + P out − Lpas− N FdB− 10log10(Namp) [dB] (1.15)

avec 58 dB = 10 ∗ log10(hνB0) pour B0 = 12,5 GHz.

Le couple émetteur/récepteur requiert un certain OSNR en réception pour garantir un taux d'erreur de 10−9_{. Augmenter l'OSNR de 3 dB permet}

de doubler la longueur totale du système. Ainsi le bruit d'ESA a un impact fondamental sur les performances d'un système de transmission par bre optique. Diminuer le facteur de bruit des amplicateurs peut permettre des gains signicatifs de performance. Comme nous allons le voir par la suite, l'amplication Raman distribuée permet de tels gains en facteur de bruit.

Fig. 1.10  Exemple d'évolution de l'OSNR avec la distance de transmission L'amplication Raman distribuée

L'amplication Raman est souvent utilisée de façon distribuée : la bre de transmission elle-même joue alors le rôle de milieu à gain. Une ou plusieurs longueurs d'onde de pompe sont envoyées de manière contra-propagative dans la bre de transmission, comme présenté sur la gure 1.11a. La puis- sance de pompe est distribuée dans toute la bre. Par eet non-linéaire Ra- man - interaction entre le photon de pompe, un phonon optique et le photon signal, il y a un transfert de puissance entre les longueurs d'onde de pompe Raman et le signal à amplier. Le pic de gain Raman est atteint pour un décalage de 13 THz entre la pompe et le signal, soit 100 nm ; ainsi il faut employer des longueurs d'onde de pompe entre 1430 et 1460 nm pour ampli- er un signal en bande C. La gure 1.11b présente la forme du gain Raman pour une longueur d'onde de pompe. L'emploi de plusieurs longueurs d'onde de pompe permet d'aplanir le gain sur toute la bande C.

Cette technique d'amplication Raman a l'avantage de présenter un fac- teur de bruit bien plus faible que l'amplication par EDFA ; ceci s'explique par le fait que le minimum de puissance signal dans la bre est plus grand que dans le cas d'une amplication localisée. Le facteur de bruit équivalent de l'amplication Raman distribuée est inférieur à la limite quantique de 3 dB pour un EDFA. Par contre, cette technique requiert l'emploi de pompes de forte puissance et pose des problèmes de sécurité en cas de rupture de la bre. Nous allons maintenant présenter les autres dégradations qui aectent le

(a) (b)

Fig. 1.11  Architecture d'un amplicateur Raman distribué (a) et courbe de gain relative à une longueur d'onde de pompe (b).

signal au cours de sa propagation, en commençant par la dispersion chroma- tique.