Comme nous venons de le voir, les systèmes optique micro-onde souffrent naturel-lement de pertes dues soit à la conversion optique-électrique, soit tout simpnaturel-lement à la propagation dans la fibre. Les amplificateurs employés actuellement dans les systèmes Opto-RF tels que les amplificateurs à fibre dopée erbium (EDFA) [8], à semi-conducteurs (SOA) [9], ou à effet Raman dans les fibres, ne permettent pas de compenser ces pertes sans dégrader le rapport signal-à-bruit. Nous décrivons, dans ce qui suit, les différents
types d’amplificateurs optiques employés dans les systèmes optique micro-onde.
Amplificateurs à semi-conducteur
Historiquement, les SOAs ont été réalisés pour amplifier les signaux optiques dans les systèmes de télécommunications. Ils présentent un fort potentiel d’intégration étant donnés leur taille compacte et leur coût abordable. Leur fonctionnement est fondé sur la même technologie que les diodes lasers à semi-conducteur à ceci près que les faces clivées sont traitées « anti-reflet ».
À la différence des EDFAs pompés optiquement, dans les SOAs l’amplification est obtenue en pompant électriquement le matériau semi-conducteur. En régime « petit signal », l’amplificateur va générer en moyenne, pour un photon en entrée, G photons en sortie (gain petit signal). Outre le gain, les paramètres caractérisant les amplificateurs à semi-conducteur sont : le niveau de saturation, la bande passante, et le bruit causé principalement par l’émission spontanée amplifiée (ASE).
Les propriétés de l’amplificateur SOA varient selon le régime d’utilisation. En régime linéaire (non saturé), la présence ou l’absence de signal n’a pas d’incidence marquante sur le spectre d’émission spontanée amplifiée de l’amplificateur. Par contre, à saturation, l’amplification du signal s’accompagne d’une nette diminution de l’ASE. Le bruit est donc réduit, mais le gain également. De plus, ce régime est moins linéaire, et par conséquent, moins adéquat pour les applications en optique micro-onde [20]. Un autre élément qui limite l’emploi des amplificateurs optiques à semiconducteur reste les pertes de couplage du SOA vers la fibre optique.
Amplificateurs à fibre dopée erbium (EDFA)
Dans un amplificateur à fibre dopée, le milieu à gain est constitué d’une fibre optique dopée par des ions de terres rares, à l’origine du processus d’amplification. Ces amplificateurs fonctionnent comme des milieux à gain laser sur le principe de l’inversion de population. Les ions erbium sont des dopants efficaces grâce à la longue durée de vie de l’état métastable (10 ms) qui sert de niveau du haut pour la transition à 1.5 µm. De plus, ils peuvent être pompés avec des lasers à 980 ou 1480 nm et amplifier des signaux dans la bande C par émission stimulée.
En régime de faibles signaux, l’amplification n’influe pas sur l’inversion de population, le gain de l’amplificateur est important et le facteur de bruit est minimal [21]. Par contre, si on augmente la puissance du signal (régime de saturation), l’amplification dépeuple fortement les niveaux excités et le gain diminue : l’amplificateur sature.
L’amplification à effet Raman dans les fibres
La diffusion Raman stimulée est un phénomène d’optique non linéaire du troisième ordre, mis en évidence dans divers milieux, tels que les gaz comme le dihydrogène [22], des liquides [23] et la silice [24]. Dans les gaz et les liquides, la diffusion Raman trouve son origine dans les vibrations et rotations individuelles des molécules. Par contre, dans la silice c’est la vibration des molécules qui est responsable de la diffusion Raman ; on parle alors de la diffusion de lumière par phonons optiques. Les fibres optiques sont donc utilisées comme milieu Raman, permettant de réaliser des lasers et amplificateurs à effet Raman.
Les amplificateurs à effet Raman ont été étudiés dès les années 1970 pour des applications en télécommunications optiques [25]. Ils présentent des propriétés de gain large bande [26] et ne nécessitent pas de dopage particulier de la fibre. Un avantage majeur d’un amplificateur Raman est que la fibre de transmission elle-même constitue le milieu à gain. La fibre opère comme milieu de transmission et comme amplificateur en ligne. Pour les applications en optique micro-onde, l’effet Raman a été étudié et proposé par plusieurs équipes de recherche. Ces études montrent que l’avantage de l’amplification Raman par rapport aux autres techniques d’amplifications (EDFA et SOA) provient de la possibilité d’amplifier des signaux très faibles tout en conservant un rapport signal à bruit fort [27]. Il a été aussi démontré que le signal optique modulé par des signaux hyperfréquences ne subira pas de dégradations après passage par l’amplificateur Raman, attestant de la linéarité de cet amplificateur.
Amplification paramétrique
Un moyen de pallier le problème de bruit inhérent à tous ces systèmes d’amplification consiste à réaliser un amplificateur paramétrique sensible à la phase. Les FOPA sensibles à la phase (PSA), quant à eux, sont plus attractifs car leurs facteurs de bruit sont inférieurs
à la limite quantique de 3 dB et tendent en principe vers 0 dB quand le gain est grand, permettant donc une amplification quasiment sans bruit [11; 28].
Dans ce contexte, nous allons étudier dans ce travail les amplificateurs sensible à la phase pour le transport de signaux de radiofréquences sur porteuse optique (voir figure 1.6).
Figure 1.6 – Schéma de base d’une liaison radio fréquence sur porteuse optique avec un amplificateur optique integré dans cette liaison.
II Généralités sur les fibres optiques et leurs effets
non linéaires
Nous introduisons ici les principaux phénomènes physiques nécessaires pour com-prendre le fonctionnement des amplificateurs paramétriques à fibres optiques. Nous rap-pellerons les phénomènes linéaires et non linéaires qui interviennent lors de la propagation d’une onde lumineuse dans une fibre optique.