La performance en bruit d’un amplificateur optique est définie comme la dégradation du rapport signal à bruit électrique (SNR) :
N F = SN Rin
SN Rout, (4.8)
où SN Rin et SN Rout sont respectivement les rapports signal à bruit en entrée et sortie de l’amplificateur optique.
Dans le but de déduire expérimentalement la figure du bruit du PSA, nous mesurons, dans un premier temps, la densité spectrale de puissance de bruit de l’ensemble « signal et idler » à la sortie de la fibre HNLF mais sans pompe. Nin représente donc le bruit incident, pouvant contenir le bruit de grenaille, la contribution du bruit du laser et le bruit de l’amplificateur EDFA utilisé sur le bras signal + idler. Nous mesurons par la suite le bruit en sortie du PSA, noté Nout, qui s’écrit sous la forme suivante [104] :
Nout = G2P SA.Nin+ Nadd, (4.9)
où GP SA est le gain du PSA et Nadd est le bruit ajouté par l’amplificateur PSA. A partir des deux équations 4.8 et 4.9, on peut déduire le bruit ajouté par le PSA ainsi que sa figure de bruit N F . Le N F sera ainsi mesuré dans le cas où l’on ne détecte que le signal seul et dans le cas où l’on détecte simultanément le signal et l’idler.
Le montage expérimental schématisé sur la figure 4.8 a été utilisé pour caractériser la figure de bruit de l’amplificateur sensible à la phase dans le cas où l’on ne détecte que le signal et dans le cas où l’on détecte simultanément le signal et l’idler.
IV.3.1 Protocole de mesure de bruit
Le protocole de mesure du bruit présenté ici est utilisé pour toutes les mesures présentées dans ce travail. Nous utilisons une détection directe (ou quadratique) dans le cas où seul le signal est présent a l’entrée de la photodiode et dans le cas où l’ensemble
signal + idler est présent à l’entrée de la photodiode.
Les niveaux de bruit sont mesurés à la fréquence de 300 MHz, appartenant à la plage de fonctionnement de l’amplificateur RF. La résolution de l’analyseur de spectre électrique (RBW) est fixée à 2 kHz. Les niveaux de bruit seront mesurés comme suit :
Détermination du niveau du bruit sans qu’aucun signal optique ne soit injecté à l’entrée de la photodiode. Il s’agit ici de mesurer le niveau de bruit de l’ensemble : photodiode + T de polarisation + amplificateur RF.
Détermination du niveau du bruit quand seul le signal ou l’ensemble signal + idler est présent à l’entrée de la photodiode. Ce niveau présente le niveau du bruit (Nin) sans l’amplification paramétrique sensible à la phase (PSA OFF).
Détermination du niveau du bruit de pompe résiduelle. Ici, seule la pompe résiduelle (après filtrage " notch ") est présente à l’entrée de la photodiode. Le signal ou l’ensemble signal+idler est désactivé. Cette mesure est très importante car elle nous permet d’évaluer l’apport du bruit de la pompe résiduelle sur la figure du bruit (NF) de l’amplificateur PSA.
Finalement, détermination du niveau du bruit pour le signal et/ou l’ensemble signal+idler (noté Nout) quand l’amplification sensible à la phase est activée (PSA ON : Pompe ON). Ici, la boucle de l’asservissement de la phase doit être active afin de réaliser des mesures de bruit pour plusieurs niveaux du gain PSA. Il est important de noter ici la difficulté de réaliser ces mesures car elles nécessitent : (1) Un asservissement très stable. A noter que notre boucle d’asservissement permet de maintenir un contrôle stable de la phase durant quelques minutes (2 à 3 minutes). Ce temps nous a largement permis de noter les niveaux de bruit en fonction du gain PSA et d’enregistrer les spectres optiques correspondants. (2) Les gains PSA maximal (Gmax) et PSA minimal (Gmin) doivent être les mêmes pendant la prise des niveaux de bruit pour les valeurs intermédiaires du gain PSA (entre gain maximum et gain minimum). Nous avons remarqué que toute modification de ces niveaux est principalement causée par un changement des niveaux de puissances du signal (à amplifier) et/ou de la puissance de la pompe résiduelle suite à un désalignement du filtre notch. Pour cela, nous contrôlons la stabilité et/ou la variation de ces niveaux de puissance en les visualisant sur l’oscilloscope. (3) Les niveaux de bruit de la pompe résiduelle, du signal et de l’ensemble « signal + idler » lorsque la pompe est désactivée (PSA OFF) doivent être les mêmes après basculement PSA OFF et PSA ON. Nous avons remarqué que toute modification dans leurs niveaux de bruit vient
principalement d’un changement de leurs puissances causées par un désalignement au niveau du filtre notch utilisé pour supprimer la pompe.
IV.4 Résultats
Nous avons effectué deux séries de mesures avec les deux fibres présentées précédem-ment : la fibre "HNLF" et la fibre "HNLF SPINE".
IV.4.1 Mesures de bruit avec la fibre HNLF
Avant de présenter les résultats de mesure du bruit, nous commençons par introduire les conditions expérimentales dans lesquelles nous mesurons le gain optique et le bruit lorsqu’on utilise la fibre HNLF dans les différentes configurations PSA et PIA. La puis-sance de la pompe injectée dans la fibre HNLF vaut 25 dBm et la puispuis-sance du signal et de l’idler à l’entrée est égale à -7 dBm.
Détection du signal et de l’idler : cas du PSA
Le montage expérimental illustré sur la figure 4.9 a été utilisé pour caractériser la figure de bruit de l’amplificateur sensible à la phase lors de détection combinée du signal et idler. Pour générer le signal et l’idler, le bras à 90% est modulé avec une fréquence RF de 20 GHz et de 15 dBm de puissance utilisant un modulateur d’intensité (MZM). Le point de fonctionnement du modulateur est asservi sur le « zéro » de transmission, permettant par conséquent d’atténuer la puissance de la porteuse (pompe) et de la maintenir constante le long de la manipulation. L’écart spectral entre le signal et l’idler est de 0.32 nm (40 GHz). Le signal et l’idler sont amplifiés (EDFA2) et filtrés avec deux filtres passe bande avant d’être recombinés à nouveau avec la pompe en utilisant un coupleur 10/90.
Dans le but de faire une détection combinée du signal et de l’idler, nous avons introduit un filtre notch accordable en longueur d’onde et en bande passante à la sortie de la fibre HNLF.
La figure 4.10 a) présente les spectres optiques lors de l’amplification sensible à la phase en détectant l’ensemble « signal et idler » : Le spectre tracé en rouge représente
Figure 4.9 – Montage expérimental utilisé pour réaliser un PSA avec la fibre HNLF : détection combinée du signal et idler.
le signal et l’idler sans la présence de la pompe, pris en sortie du filtre notch (pompe OFF, S+I ON). Le spectre tracé en noir représente la pompe résiduelle en sortie du filtre notch (pompe ON, S+I OFF). Enfin, le spectre tracé en bleu représente l’ensemble « signal et idler » amplifié avec un gain maximal de 10.5 dB (pompe ON, S+I ON). Nous remarquons ici la génération de nouvelles fréquences espacées de 20 GHz de part et d’autres du signal et de l’idler. Ces fréquences sont générées par mélange à quatre ondes entre le signal, l’idler et la pompe. Nous remarquons également qu’il n’y pas d’excès de bruit apparent après l’amplification PSA. Le niveau de bruit du PSA est le même que le bruit de la pompe résiduelle (courbes bleue et noire).
Pour caractériser le facteur de bruit du PSA lors de la détection du signal et de l’idler, nous avons effectué des mesures de niveaux de bruit dans le domaine électrique. La figure 4.10 b) montre les mesures de bruits correspondants obtenus en suivant le protocole de mesure présenté précédemment. Le spectre tracé en vert montre le niveau de bruit sans lumière, c’est-à-dire Nof f set. Le spectre tracé en noir représente le niveau de bruit de la pompe résiduelle. Le spectre en rouge montre le niveau de bruit de l’ensemble
« signal et idler » sans la pompe noté Nin (PSA OFF : pompe OFF) qui vaut -174.15 dBm/Hz. Ce niveau de bruit est obtenu pour une puissance optique de -15 dBm injectée dans la photodiode dont la réponse vaut 0.95 A/W. Nous avons montré que le signal et l’idler pour cette configuration sont limités par le bruit de grenaille (voir annexe D). Sur la même figure 4.10 b), nous présentons en bleu le niveau de bruit de l’ensemble signal et idler avec la pompe (PSA ON : pompe ON) noté Nout. Ce dernier est obtenu en asservissant la phase relative afin d’obtenir un gain maximal de 10.5 dB. Enfin, on remarque sur la figure 4.10 b), que le bruit est également amplifié par le PSA. En effet, le plancher de bruit est augmenté de 22.3 dB. Ce chiffre est à peu près égal à deux fois le gain optique.
Comme nous l’avons expliqué précédemment, pour estimer le facteur de bruit de l’am-plificateur PSA, nous appliquons la relation suivante :
N FcP SA = (Nout− Nin) − 2GP SA. (4.10)
A partir de cette relation, le facteur de bruit NF vaut 1.2 dB, pour la configuration PSA avec détection de l’ensemble « signal et idler ». Cette valeur de NF est inférieure à la limite quantique de 3 dB.
Figure 4.10 – a) Spectres optique obtenus après amplification sensible à la phase. b) Spectres de bruit obtenus après amplification sensible à la phase.
L’expression du facteur de bruit obtenu à partir du calcul théorique qui a été détaillé dans le chapitre 2 lorsque l’on détecte le signal et l’idler est donnée par l’équation suivante :
N FcP SA = Gmax+
1
Gmax
GP SA . (4.11)
A partir de ce calcul, le facteur de bruit obtenu pour un gain maximal de 10.5 dB est de 0.36 dB. Nous observons que cette valeur est légèrement inférieure à celle du facteur de bruit obtenu expérimentalement. Cette différence est probablement due essentiellement à la précision des mesures expérimentales des différents niveaux de bruit.
Détection du signal seul : cas du PSA
Par rapport au banc expérimental utilisé pour la détection conjointe du signal et de l’idler, nous modifions l’emplacement de L’EDFA2 (voir figure 4.11). Celui-ci est désormais placé après le FBG afin d’avoir plus de puissance à l’entrée de la photodiode. Le fait d’avoir un niveau de puissance suffisant à l’entrée de la photodiode nous permet de faire des mesures de niveau de bruit en ne détectant que le signal sans être limité par le niveau de bruit de l’instrument de mesure (ESA). De plus, dans le but de détecter le signal seul, un filtre passe bande accordable en longueur d’onde et en bande passante a été introduit à la sortie de la fibre HNLF.
Dans ce cas, en raison de la position de l’EDFA2 dans le bras signal, le bruit de ce dernier est plus fort que le bruit de grenaille de quelques dB. Afin de mesurer le facteur de bruit de l’amplificateur sensible à la phase dans le cas où l’on ne détecte que le signal, nous avons remplacé le filtre notch par un filtre passe bande qui ne laisse passer que le signal. Dans ces conditions, nous avons effectué des mesures, dans le domaine optique, du gain du PSA (figure 4.12 a)). Le spectre rouge indique le signal sans amplification, tandis que le spectre bleu représente le signal amplifié avec un gain maximal de 10.6 dB. Les mesures dans le domaine électrique servent à déterminer le facteur de bruit de PSA. La figure 4.12 b) montre les mesures des différents niveaux de bruit qui nous permettent d’identifier le facteur de bruit. Le spectre rouge correspond au niveau de bruit du signal, le spectre noir représente le niveau de bruit de la pompe résiduelle et le niveau de bruit du signal amplifié (G = 10.6 dB) est présenté par le spectre bleu.
Dans ce cas et à partir de la mesure des niveaux de bruit, le facteur de bruit trouvé vaut -2.02 dB. Pour comparer cette valeur de NF à la valeur donnée par le modèle théorique
Figure 4.11 – Montage expérimental utilisé pour réaliser un PSA avec la fibre HNLF : détection du signal seul.
Figure 4.12 – a) Spectres optiques obtenus après une amplification sensible à la phase. b) Spectres de bruit obtenus après une amplification sensible à la phase.
qui a été développé dans le chapitre 2, on rappelle ici l’expression de NF dans le cas où l’on ne détecte que le signal :
N FsP SA= G
max+Gmax1
2GP SA (4.12)
La valeur de NF trouvée théoriquement vaut -2.6 dB. Nous pouvons remarquer que celle-ci est très légèrement inférieure à la valeur expérimentale. On remarque un bon accord entre la valeur mesurée et la valeur prédite, même si le signal n’est pas tout à fait limité par le bruit de grenaille.
Détection du signal : cas du PIA
Afin de tester les performances de l’amplificateur en termes de bruit dans le cas où celui-ci est en configuration insensible à la phase, nous avons mesuré le gain optique (GP IA) et les planchers de bruit sans et avec amplification. Ces mesures ont été effectuées dans les mêmes conditions que celles présentées dans le cas où l’amplification est sensible à la phase, c’est-à-dire,avec le même banc expérimental (voir figure 4.8) et avec le même niveau de puissance pour la pompe. L’idler est dans ce cas bloqué et la puissance du signal injecté dans la fibre HNLF est de - 10 dBm.
Sur la figure 4.13 a) sont représentés respectivement, en rouge et en bleu, le spectre du signal sans amplification (pompe OFF) et le spectre du signal avec amplification (pompe ON). Nous mesurons un gain de 7.3 dB pour le signal amplifié, comme attendu inférieur au gain obtenu en regime d’amplification sensible à la phase. Les deux pics au-delà de la longueur d’onde du signal à amplifier (λs= 1546.8 nm) sur la courbe bleue correspondent à la pompe résiduelle (pic de plus grande amplitude) et à l’idler résiduel. Les spectres de bruit correspondants sont présentés sur la figure 4.13 b). Ces mesures ont pour but de déterminer le bruit introduit par l’amplification insensible à la phase. On obtient une puissance de bruit de -174.8 dBm/Hz pour le signal sans amplification (courbe rouge) et une puissance de bruit de -158.1 dBm/Hz en présence de la pompe pour l’amplification (courbe bleue). En utilisant la formule donnée par l’équation 4.10 et les mesures des ni-veaux de bruit, nous obtenons un facteur de bruit de 2.4 dB. Les modélisations théoriques correspondant à cette configuration ont été présentées dans le chapitre 2 et dans l’annexe
Figure 4.13 – a) Spectres optiques obtenus après une amplification insensible à la phase. b) Spectres de bruit obtenus après une amplification insensible à la phase.
C. L’expression théorique de NF est :
N FsP IA = 2 − 1
GP IA. (4.13)
En utilisant la valeur du gain optique mesuré, on obtient N F =2.9 dB, ce qui est légère-ment supérieur à la valeur déterminée expérilégère-mentalelégère-ment (2.4 dB).
IV.4.2 Mesures avec la fibre HNLF SPINE
Le montage expérimental dans cette partie est le même que ci-dessus (voir figure 4.9), sauf que cette fois-ci nous utilisons la fibre HNLF SPINE. Grâce à son seuil élevé d’apparition de l’effet Brillouin, elle permet de réaliser des expériences d’amplification sensible à la phase sans faire appel à une modulation de phase de la pompe (voir figure 4.14).
Comme nous l’avons déjà expliqué dans le chapitre 3, cette fibre permet d’avoir des gains positifs en dB (amplification) et des gains négatifs en dB (désamplification). Cela nous permet donc de réaliser des mesures de bruit pour plusieurs niveaux de gain, et de voir l’évolution du facteur du bruit vis-à-vis l’amplification et/ou la désamplification
Figure 4.14 – Montage expérimental utilisé pour réaliser un PSA avec la fibre HNLF SPINE : détection combinée du signal et idler.
du signal. Nous utilisons donc le même protocole que celui présenté précédemment (paragraphe IV.3.1). La puissance de la pompe est de 25 dBm à l’entrée de la fibre HNLF SPINE. La puissance de l’ensemble signal + idler est de -5 dBm.
Deux expériences ont été réalisées avec le même banc expérimental : dans la première, la phase relative entre les trois signaux (signal, idler et pompe) à l’entrée de la fibre n’est pas asservie. Dans la deuxième expérience, la phase relative est contrôlée avec la boucle d’asservissement.
IV.4.3 Variation du bruit
La figure 4.15 montre le niveau de bruit qu’on observe à l’analyseur de spectre élec-trique lorsqu’on laisse la phase relative dérive librement au cours du temps, tout en scan-nant la fréquence d’analyse.
Le spectre bleu représente la variation de bruit lorsque le PSA est allumé (c’est-à-dire pompe, signal et idler actifs). En revanche, lorsque le PSA est inactif (signal et idler
ac-Figure 4.15 – Variation de bruit obtenue lors de l’amplification sensible à la phase avec la phase relative des trois ondes qui dérive dans le temps. Le signal et l’idler sont détectés simultanément.
tifs, pompe éteinte), le niveau de bruit est représenté par le spectre vert. Dans un premier temps, on observe que la valeur minimale de bruit obtenue lorsque le PSA est actif est limitée par le niveau de bruit introduit par le signal et l’idler. Le bruit, ici, varie entre deux valeurs qui sont -99 dBm lorsque la phase est telle que le gain optique est maxi-mal (amplification : Gmax = 6 dB) et -113 dBm au minimum de gain (désamplification :
Gmin = −6 dB)1.
IV.4.4 Mesure de bruit avec la phase relative verouillée
On a représenté sur la figure 4.16 les résultats obtenus pour les mesures des niveaux de bruit qui nous permettent de déterminer le facteur de bruit du PSA lors de la détection du signal et de l’idler. La courbe rose est le niveau de bruit de signal en l’absence de pompe (sans amplification) et la courbe noire montre le niveau de bruit de la pompe résiduelle.
1. Cette simple observation montre à quel point le niveau de bruit dépend du point de fonctionnement du PSA.
Grâce à l’asservissement de la phase relative, on peut ajuster la phase à l’entrée de la fibre pour avoir différentes valeurs de gain optique et par la suite faire des mesures de niveaux de bruit qui correspondent à ces niveaux de gain optique. Les résultats de ces mesures sont illustrés sur la figure 4.16. Les courbes verte, rouge et bleue représentent les niveaux de bruit à la sortie de l’amplificateur pour des gains optiques respectivement de -6 dB, 0 dB et +6 dB. Afin d’évaluer l’impact de l’EDFA2 présent sur le bras du signal et idler pour augmenter leurs puissances, nous comparons les niveaux de bruit de ces deux derniers (sans la pompe) à la limite quantique standard donnée par le bruit de grenaille (voir annexe D). Dans ce cas, nous observons que le signal et l’idler à l’entrée du PSA sont limités par le bruit de grenaille.
Figure 4.16 – Variation de bruit de l’amplificateur sensible à la phase lors de la détection du signal et de l’idler
IV.4.5 Mesure du facteur de bruit (NF) en détection combinée
Les mesures de niveaux de bruit présentées précédemment nous ont permis de déduire le facteur de bruit du PSA pour différentes valeurs de gain. Sur la figure 4.17, nous avons tracé la variation de ce facteur de bruit (disques bleus) en fonction du gain du PSA.
Le gain dans ce cas varie entre +6 dB et -6 dB. Pour une valeur de gain de +6 dB, la valeur du NF vaut -0.5 dB alors que pour un gain de -6 dB, le facteur de bruit est égal à 12 dB. Cette dernière valeur correspond à une dégradation du rapport signal à bruit. Ces résultats expérimentaux sont ici comparés aux calculs théoriques (équation 2.50) (courbe noire sur la figure 4.17). Les points expérimentaux sont en accord avec la modélisation théorique.
Figure 4.17 – Facteur de bruit expérimental du PSA lors de la détection du signal + idler en fonction du gain optique sensible à la phase (cercle bleue). La droite noire représente la variation du facteur de bruit obtenu à partir de l’équation (2.50).
IV.4.6 Facteur de bruit : détection du signal seul
Les mêmes mesures que précédemment ont été effectuées en ne détectant cette fois