Principe général

Les amplificateurs optiques sont des composants indispensables pour les transmissions longues distances dans les réseaux terrestres ou sous-marins pour compenser les pertes de la ligne de transmission et garder une valeur de puissance optique suffisante pour une bonne détection du signal. Dans les réseaux de télécommunication actuels, la distance entre deux amplificateurs est très différente selon le réseau déployé et peut varier de moins d’une cinquantaine de kilomètre à un peu plus de 120 km. Les pertes entre deux amplificateurs peuvent varier entre 10 dB et 30 dB dues notamment à la fibre elle-même mais aussi aux éventuels équipements présents dans la ligne de transmission.

Un type particulier d’amplificateur optique très répandu est l’amplificateur à fibre dopée erbium (EDFA pour Erbium Doped Fiber Amplifier en anglais). Ce type d’amplificateur utilise une fibre spéciale, appelée fibre dopée erbium (EDF pour Erbium Doped Fiber en anglais) car des ions Er3+ (appelés dopants) ont été intégrés dans cette fibre lors de sa fabrication. Dans les réseaux de télécommunication, cette fibre est monomode à la longueur d’onde 1550 nm et la répartition des dopants dans cette fibre est généralement uniforme. Pour des applications plus spécifiques, il est possible de fabriquer une fibre dopée erbium pouvant propager plusieurs modes spatiaux à la longueur d’onde 1550 nm et avec un profil de dopage spécifique comme il sera présenté dans la partie 3.2.1.

Figure 58 : Architecture d’un amplificateur à fibre dopée erbium

Diode laser de pompe à 980nm Fibre de transmission d’entrée Fibre de transmission de sortie Fibre Dopée Erbium Multiplexeur du faisceau de pompe avec le signal utile Isolateur optique

Figure 59 : Représentation des transitions d’excitation et de relaxation des ions erbium et la conséquence sur le signal

L’architecture de l’amplificateur à fibre dopée erbium est illustré sur la Figure 58. Un faisceau à une longueur d’onde 980 nm venant d’une diode laser est combiné au signal à amplifier grâce à un montage optique spécifique. Par exemple, ce montage peut être simplement un miroir dichroïque, élément optique réfléchissant un faisceau à une certaine longueur d’onde (celle de pompe par exemple) et transmettant un faisceau à une longueur d’onde différente (celle du signal par exemple). Le faisceau résultant est ensuite injecté dans la fibre dopée erbium. La présence du faisceau à 980 nm appelé faisceau de pompe dans la fibre dopée a pour conséquence d’exciter les ions Er³⁺ de l’état fondamental (niveau d’énergie

4I15/2) vers un état excité comme représenté à gauche de la Figure 59. Les deux niveaux associés sont nommés ⁴I13/2 et ⁴I11/2 (par la suite, ces états excités seront désignés directement par leur nom de niveau d’énergie) pour une pompe à 1480 nm et 980 nm respectivement. Les ions excités se relaxent vers l’état ⁴I13/2 par désexcitation non radiative à une vitesse très supérieure à tous les autres phénomènes considérés. Une fois dans l’état 4I13/2, les ions Er3+

relaxent vers l’état fondamental soit par émission stimulée avec émission d’un photon de même caractéristiques que le faisceau signal soit par émission spontanée avec émission d’un photon ayant des caractéristiques aléatoires, différentes du signal. L’émission stimulée par le faisceau signal correspond à l’amplification du signal utile. En revanche, la génération d’un photon par émission spontanée ajoute du bruit au signal utile. Certains photons émis par émission spontanée se couplent dans le mode de la fibre et sont à leur tour amplifiés ce qui augmente encore le bruit optique. Ce phénomène s’appelle l’émission spontanée amplifiée (ASE ou Amplified Spontaneous Emission en anglais) et dégrade la qualité du signal comme il sera expliqué ultérieurement. D’autre part, dans la ligne de transmission, les réflexions ainsi que la diffusion Rayleigh induisent notamment un bruit se propageant dans la direction

Relaxation de phonons Amplification autour de 1550nm Etat fondamental Etats excités Pompe à 980nm Pompe à 1480nm ASE 4I_15/2 4I_13/2 4I_11/2

émission stimulée et diminue l’inversion de population dans la fibre dopée. Afin d’éviter ce phénomène, deux isolateurs optiques sont ainsi placés de chaque côté de l’amplificateur pour limiter l’impact de ces réflexions parasites. De plus, l’isolateur optique permet également d’éviter les phénomènes d’oscillation pouvant induire un effet laser.

Le rapport de puissances optiques du signal utile après et avant l’amplificateur est appelé gain. Le gain n’a pas d’unité mais s’exprime usuellement en, par exemple l’amplification du signal par un facteur 100 correspond à un gain de 20 dB. Le gain de l’amplificateur dépend du nombre d’ions erbium dans la fibre dopée (donc de la concentration en ions erbium et de la longueur de la fibre dopée) ainsi que des puissances optiques de la pompe et du signal avant l’amplificateur.

𝐺 = ^{𝑃𝑠−𝑜𝑢𝑡}

𝑃_{𝑠−𝑖𝑛} ⁽⁸⁹⁾

𝐺_𝑑𝐵 = 𝑃_{𝑠−𝑜𝑢𝑡_𝑑𝐵}− 𝑃_{𝑠−𝑖𝑛_𝑑𝐵} (90)

Le gain est aussi dépendant de la longueur d’onde du signal d’entrée. La plage spectrale d’utilisation de cet amplificateur est donnée par le gain obtenue avec ce type d’amplificateur représenté sur la Figure 60 [101]. Ce genre d’amplificateur est ainsi parfaitement adapté à l’amplification de signal dans la bande C c’est-à-dire entre 1529 nm et 1568 nm. Malgré cette spécificité, il est possible de réaliser un amplificateur à fibre dopée erbium pour des longueurs d’onde plus élevées, pour la bande L jusqu’à 1610 nm, en utilisant une fibre dopée erbium plus longue et/ou plus dopée.

Figure 60 : Gain et absorption d’un amplificateur à fibre dopée erbium avec une fibre dopée erbium avec plusieurs taux d’inversion [101]

Précédemment, le phénomène d’émission spontanée amplifiée a été expliqué et dans le cas d’une transmission de données, ce phénomène d’émission spontanée amplifiée ajoute un bruit optique au signal. La dégradation de la qualité du signal dans l’amplificateur par ce phénomène est quantifiée par un paramètre appelé le facteur de bruit (NF pour Noise Figure en anglais). La définition du facteur de bruit est le rapport des rapports signal à bruit électrique avant et après l’amplificateur. Le facteur de bruit peut s’exprimer directement à partir du rapport signal à bruit optique du signal avant et après l’amplificateur. Pour pouvoir estimer le facteur de bruit d’un amplificateur à fibre dopée erbium, la formule mathématique du facteur de bruit doit s’exprimer à partir du rapport signal à bruit optique du signal. Les détails du calcul ne seront pas donnés dans cette thèse, mais la formule de facteur de bruit est donnée par la formule suivante [102]:

𝑂𝑆𝑁𝑅|_𝑑𝐵 = 58|_𝑑𝐵+ 𝑃₀ |

𝑑𝐵𝑚− 𝑁𝐹|_𝑑𝐵− 𝐿|_𝑑𝐵− 10 ∗ log (𝑁)|_{𝑑𝐵 (91)}

Où 𝑂𝑆𝑁𝑅|_𝑑𝐵 est le rapport signal à bruit à la fin de la ligne de transmission exprimé dans une bande de fréquence équivalente à 0,1 nm, 𝑃₀ |

𝑑𝐵𝑚 est la puissance d’entrée du signal dans l’amplificateur à fibre dopée erbium exprimé en dBm, 𝑁𝐹|_𝑑𝐵 est le facteur de bruit, 𝐿|_𝑑𝐵 est la valeur de perte de la fibre entre deux amplificateurs et 𝑁 est le nombre de tronçons de fibre entre amplificateurs dans la ligne de transmission. Généralement, la bande de fréquence d’acquisition des données est de 12,5 GHz, correspondant à une bande de 0,1 nm.

Le facteur de bruit est donné dans l’échelle logarithmique (donc en dB) et la valeur typique de facteur de bruit des amplificateurs à fibre dopée erbium dans les réseaux de télécommunication est 5 dB.