FIGURE2.3 – Schéma de principe d’un montage basé sur une boucle à miroir non-linéaire (NOLM) associé à sa fonction de transfert typique en puissance.
2.2 Compression adiabatique d’un battement
2.2.1 Soliton dans les fibres à dispersion décroissante
En 1973 Hasegawa et Tappert [31] furent les premiers à proposer l’utilisation d’un soliton pour le transport d’informations dans les fibres optiques. L’utilisation d’un soliton va permettre une propagation de l’information sur de très longues distances. Mais cette vision est purement théorique. Pour des distances de propagation pouvant atteindre plusieurs milliers de kilomètres, les pertes linéaires induites par l’absorption de la fibre optique représentent un effet dramatique sur l’équilibre du couple effet Kerr et dispersion chromatique.
Actuellement les pertes linéaires dans les fibres optiques utilisées dans les réseaux de télécom-munications sont de 0,2 dB/km, soit une perte d’énergie de 60% du signal sur une distance de seulement 20 km.
Dans le but de maintenir l’équilibre entre la non-linéarité et la dispersion chromatique sur une longue distance, Tajima en 1987 [32] eu l’excellente idée de concevoir un prototype de fibre basé sur une variation longitudinale de la dispersion décroissante (DDF) comme illustré sur la figure 2.4 issue des données de Tajima.
Cette technique va ainsi être la première démarche de compression adiabatique viable. Le concept est basé sur une idée très simple qui consiste à concevoir une fibre optique dont la dis-persion décroit exponentiellement le long de la fibre (figure 2.4), ce qui engendre une évolution adiabatique de l’énergie de même type, d’où une conservation optimale du couple effet Kerr et dispersion chromatique, et ce durant toute la durée de la propagation.
2.2.2 Fibre à dispersion décroissante (DDF)
Suite aux travaux de Tajima [32] de nombreuses investigations théoriques ont concerné l’étude de la propagation d’impulsions dans des fibres optiques à dispersion décroissante. C’est dans les années 80 qu’une nouvelle approche fut abordée par deux grands groupes internationaux de re-cherche, l’équipe de Blow et ses collaborateurs [33] ainsi que le groupe de Kuehl et ses
collabo-rateurs [34]. Cette approche consiste à ajouter un terme de gain effectif à l’équation non-linéaire de Schrödinger [33, 34] grâce à l’utilisation de fibres étirées dont la dispersion décroît exponen-tiellement le long de la fibre. Ainsi la décroissance de l’énergie est suivie de manière adiabatique par la décroissance exponentielle de la dispersion permettant le maintien de l’équilibre entre la non-linéarité et la dispersion chromatique.
Suite à cela, les travaux de Dianov et al. [35] en 1989 suggérèrent la possibilité de générer un train d’impulsions à très haute cadence (supérieure au TeraHertz) à partir d’un battement sinusoïdal se propageant dans une fibre à dispersion décroissante. Au cours de sa propagation , le train d’ondes sinusoïdal initial est progressivement attiré vers un régime solitonique dépendant des paramètres expérimentaux (gain d’amplification et dispersion en sortie de la fibre utilisée).
Les simulations numériques de Dianov et al. [35] présentèrent la possibilité de concevoir un train d’impulsions pouvant atteindre une cadence de 500 GHz dans une fibre de quelques centaines de mètres pour une puissance moyenne initiale de 1.25 W.
50 100
0
4
8
12
16
20
Distance de propagation [km]
Dispersion [(ps/nm)/km] 0
FIGURE 2.4 – Évolution de la dispersion au cours de la distance de propagation dans une fibre à dispersion décroissante [32].
La figure 2.4 représente l’allure de l’évolution de la dispersion chromatique au cours de la distance de propagation dans une fibre à dispersion décroissante.
L’inconvénient de l’utilisation de ce type de fibre optique est sa conception demandant une grande rigueur pour une parfaite évolution du diamètre du cœur conditionnant ainsi l’évolution de la valeur de sa dispersion.
2.2.3 Profil de dispersion en paliers : "Step-like"
Ce profil de dispersion nommé communément "step-like" permet de pallier le problème de conception des fibres à dispersion décroissante présentées à la section précédente. L’idée, illus-trée figure 2.5 présentant une évolution en escalier de la dispersion en fonction de la distance de propagation, fut suggérée pour la première fois par Chi et al. [36] en 1991.
concaténer une succession de tronçons de fibres standards possédant des dispersions chromatiques différentes.
C’est en 1991 que Mamyshev et al. [12] réalisèrent pour la première fois une étude théorique pour simuler la propagation d’un train d’impulsions solitoniques à haut débit (GHz-THz) dans une fibre ayant un profil de dispersion "Step-like". Puis, en 1994 Chernikov et ses collaborateurs [13] mirent en évidence la possibilité de concevoir et d’utiliser une fibre optique de profil "Step-like" composée de 6 segments de fibres standards. Ils démontrèrent ainsi la possibilité de concevoir un train d’impulsions de 640 fs à 104 GHz (Pmoy = 400 mW).
La figure 2.5 représente l’évolution de la dispersion chromatique en fonction de la distance de propagation. La trace noire représente cette évolution pour une fibre présentant un profil de dispersion dit de ’Step-like’ et la trace grise pour un profil de dispersion DDF.
500 1000
0
4
8
12
16
20
Distance de propagation [m]
Dispersion [(ps/nm)/km] 0
FIGURE2.5 – Évolution de la dispersion en fonction de la distance de propagation dans une fibre à profil de dispersion"step-like" (trace noire), dans une fibre DDF (trace grise).
Une faible variation de la dispersion entre deux tronçons, garantissant ainsi le critère adiaba-tique de la compression apparait clairement sur la trace noire. De même que pour les fibres opadiaba-tiques DDF, la conception d’une fibre optique dotée d’un profil "step-like" demande une bonne précision au niveau de la dispersion de chaque tronçon [13].
L’un des avantages de l’utilisation de fibres optiques possédant un profil de dispersion "step-like" est la possibilité d’élever le seuil Brillouin stimulé via un arrangement de tronçons successifs possé-dant une concentration différente en germanium [37]. Grâce à cette concentration en germanium, la fréquence optimale de diffusion Brillouin va être différente pour chaque segment, ainsi le gain Brillouin à une fréquence donnée est très nettement diminué [37].
2.2.4 Profil de dispersion en peigne : "Comblike"
Dans cette section est présenté un autre profil de dispersion généralement appelé profil de dis-persion "Comblike" suggéré théoriquement en 1993 [38] puis conçu expérimentalement en 1994 par Chernikov [13]. La figure 2.6 représente l’évolution du profil de dispersion d’une fibre à profil
de dispersion "Comblike" en fonction de la distance de propagation. Notons que les tronçons ne présentent plus une évolution quasi-continue de la dispersion comme cela a été présenté sur la figure 2.5, mais le profil de dispersion "Comblike" se caractérise par une forte discontinuité de la dispersion entre chaque segment. Le choix de chaque tronçon se fait en fonction de leurs caracté-ristiques physiques et intrinsèques , leur longueur, la valeur de dispersion chromatique ou encore la valeur des pertes intrinsèques. L’ajustement de tous ces paramètres pour chaque tronçon permet la création d’une fibre optique pouvant favoriser la compression d’impulsions optiques. Cependant la mise en œuvre d’une telle fibre reste très délicate. Un contrôle rigoureux de la dispersion chro-matique de chaque tronçon est nécessaire. De plus, le nombre important de segments nécessaire à l’obtention d’une fibre performante est également un point faible. Lorsque le segment utilisé pos-sède une dispersion faible (fibre DSF), seuls les effets non-linéaires sont favorisés, inversement les effets de dispersion chromatiques prédominent dans les tronçons de fibres SMF.
Si par exemple deux segments, l’un composé de fibre DSF et l’autre de fibre SMF, se succèdent et qu’un battement sinusoïdal est injecté, l’effet d’auto-modulation de phase va dominer au sein du premier tronçon. Le spectre optique des impulsions en sortie de ce premier segment se compose de multiples composantes spectrales associées à une dérive en fréquence linéaire au centre des impulsions. Les impulsions optiques, par leur passage au sein du second segment de fibre SMF, subissent une compression temporelle, puisque la dérive en fréquence est compensée par l’effet de dispersion anormale.
4 8
4
8
12
16
20
Distance de propagation [km]
Dispersion [(ps/nm)/km] 00 2 6
FIGURE 2.6 – Évolution de la dispersion chromatique en fonction de la distance de propagation dans une fibre optique à profil de dispersion "comb-like".
L’avantage incontestable de ce profil de dispersion réside en la facilité d’utiliser deux sortes de fibres optiques bien connues (SMF et DSF), permettant très aisément une optimisation du montage. Comme dans le cas du profil de dispersion "step-like", par une alternance de segments de fibres optiques à concentrations en germanium différentes, il est possible d’élever le seuil Brillouin stimulé [37]
2.2.5 Comparaison qualitative des différentes méthodes
La tableau ci-dessous résume les différents points positifs et négatifs de chacune des méthodes présentées ci-avant.
Méthodes Points Forts Points Faibles
Instabilité modulationnelle Accordabilité Possibilité Piédestaux
Mélange à quatre ondes multiple Accordabilité/simplicité montage Puissance par bande faible
Compression
adiabatique
d’un
battement
sinusoïdal
Fibre à dispersion décroissante Accordabilité, Seuil Brillouin% Fibre difficile à concevoir
Step-like Accordabilité, Seuil Brillouin% Nombre de fibres élevé, pertes
Comblike Seuil Brillouin% Nombre de tronçons élevé
TABLE2.2 – Récapitulatif des caractéristiques de chaque profil de dispersion permettant la concep-tion de trains à haute cadence.