Nous avons choisi d’utiliser une méthode active basée sur la modulation de phase externe de la pompe afin de nous affranchir de l’effet Brillouin. Il s’agit de diviser la raie
Longueur (L) 1011 m Longueur d’onde de dispersion nulle (λZDW) 1547 nm
Coefficient non-linéaire (γ) 11.3 (W.km)−1 Pente de dispersion (D0) 0.017 ps.nm−2.km−1
Atténuation linéique (α) 0.8 dB/km
Table 3.1 – Paramètres de la fibre HNLF.
laser en une multitude de raies afin de réduire la puissance maximale du spectre optique et d’occuper une bande spectrale plus importante. La combinaison de quatre signaux sinusoï-daux produit, au premier ordre, 34=81 raies espacées de la plus petite des fréquences [102].
Pour mesurer le seuil Brillouin d’une fibre optique, il est nécessaire de mesurer les puissances transmise et rétrodiffusée en fonction de la puissance injectée dans la fibre. La figure 3.2 illustre le montage expérimental mis en place pour caractériser les propriétés de la rétrodiffusion Brillouin dans la fibre HNLF.
Figure 3.2 – Montage expérimental permettant la caractérisation de la rétrodiffusion Brillouin. EDFA : amplificateur dopé erbium, PM : modulateur de phase et FPB : filtre passe bande.
Une onde « pompe » continue à 1547 nm est générée par une source laser accordable (TUNICS) dans la bande C, ayant une largeur spectrale de 400 kHz, très inférieure à celle du gain Brillouin. Afin d’élargir spectralement cette pompe, un modulateur de phase (10 GHz de bande passante) est utilisé. Ce dernier est piloté par un dispositif électronique constitué d’un ensemble de quatre fréquences RF amplifiées. La pompe élargie
spectrale-ment est par la suite amplifiée par un EDFA (Pmax= 30 dBm) et filtrée afin de réduire le bruit d’émission spontanée. Un atténuateur variable est utilisé afin d’ajuster la puissance de la pompe injectée dans la fibre HNLF. Enfin, un circulateur permet de collecter la puissance rétrodiffusée par la fibre HNLF.
La figure 3.3 a) montre les variations de la puissance transmise et de la puissance rétrodiffusée en fonction de la puissance injectée dans la fibre HNLF de longueur 204 m lorsque la modulation de phase est désactivée. Cette figure montre que dès que la puissance seuil est atteinte, la puissance transmise sature au profit de l’onde rétrodiffusée qui voit sa puissance croître très rapidement. Pour déterminer le seuil Brillouin de la fibre, la valeur de puissance injectée pour laquelle la puissance Brillouin équivaut à 1% de la puissance injectée est recherchée comme indiqué sur la figure 3.3 a). On mesure un seuil Brillouin de 19.7 dBm (93 mW). De même, nous avons mesuré le seuil Brillouin pour les deux autres tronçons de fibre HNLF de longueurs 300 et 507 m. On obtient respectivement 17.7 dBm (60 mW) et 15.6 dBm (36 mW). Ces niveaux de seuil sont inférieurs aux puissances de pompe requises pour obtenir une amplification paramétrique efficace.
Figure 3.3 – Caractérisation du seuil de Brillouin de la fibre HNLF : a) lorsque la modulation de phase est désactivée, et, b) lorsque la modulation de phase est activée.
La figure 3.3 b) montre les variations de la puissance transmise et de la puissance rétrodiffusée en fonction de la puissance injectée dans la fibre HNLF de longueur 204
m lorsque la modulation de phase est activée. La pompe dans ce cas, est modulée par quatre sinusoïdes de fréquences 100 MHz, 300 MHz, 900 MHz et 2700 MHz appliquées au modulateur de phase [102]. Ces quatre fréquences sont suffisantes pour augmenter significativement le seuil d’apparition de l’effet Brillouin.
II.3 PSA avec une seule pompe
On rappelle ici que notre objectif est de réaliser un amplificateur sensible à la phase pour amplifier des signaux radar qui seront par la suite transmis via la fibre optique vers la stations de traitement en fin de liaison. Comme nous l’avons vu au chapitre 1, on peut distinguer deux configurations d’amplification. La première est une configuration à deux pompes c’est-à-dire que le signal et l’idler sont dégénérés. La seconde est une configuration avec une seule pompe c’est-à-dire que le signal et l’idler ne sont pas dégénérés. En termes de simplicité de réalisation, le PSA à une pompe est plus favorable. Même si l’espacement entre le signal et l’idler est petit (40 GHz), cela n’affecte pas le gain. Des bandes passantes de 40 GHz sont de plus largement suffisantes et compatibles avec les applications en optique RF. En revanche, comme nous le verrons au paragraphe (IV.2.3) le PSA utilisant deux pompes nécessite un espacement très important afin d’avoir un gain fort ( bien plus de 10 nm de séparation sont nécessaires).
II.3.1 Montage expérimental : cas de la fibre HNLF
Le montage expérimental mis en œuvre pour réaliser l’amplification sensible à la phase à une seule pompe est représenté sur la figure 3.4. Nous utilisons un seul laser continu et accordable (TUNICS) dans la bande C, pour obtenir les trois signaux : la pompe, le signal et l’idler [77], [96]. Le choix d’utiliser un laser accordable nous permet d’étudier différentes configurations, c’est-à-dire de voir la variation du gain lorsqu’on change la longueur d’onde de la pompe par rapport à la longueur d’onde de dispersion nulle de la fibre HNLF.
Le choix d’utiliser un seul laser est justifié par l’application visée. En effet, nous souhaitons à terme utiliser l’amplificateur PSA pour amplifier des signaux radars. Par conséquent, une bande d’amplification optique de quelques GHz suffit largement.
Ce choix permet aussi de réaliser un PSA compact avec pompe, signal et idler cohérents et cela sans passer par un étage de « copieur » ou insensible à la phase (PIA)
néces-sitant deux lasers sur deux longueurs d’onde différentes, un pour la pompe et l’autre pour le signal afin de créer l’idler verrouillé en phase avec la pompe et le signal [83], [86], [88], [103], [104]. Ne pas passer par un étage « copieur » permet aussi de n’uti-liser qu’une seule fibre HNLF qui ne sera consacrée qu’à l’amplification sensible à la phase.
L’architecture du PSA est donc interférométrique : la sortie du TUNICS (10 dBm, 1547 nm) est divisée en deux voies utilisant un coupleur 10/90. Le bras à 90% est utilisé comme pompe. Le bras à 10% est utilisé pour générer le signal et l’idler. La pompe est modulée en phase afin d’élargir son spectre (initialement de largeur spectrale 400 kHz). La pompe élargie spectralement est ensuite amplifiée par un amplificateur EDFA (EDFA1) et filtrée par un filtre de 0.2 nm de bande passante (circulateur + réseau de Bragg) afin de réduire le bruit d’émission spontanée (ASE).
Pour générer le signal et l’idler, le bras à 10% est modulé avec une fréquence RF de 20
Figure 3.4 – Architecture de l’amplificateur paramétrique sensible à la phase à une pompe.
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). Ce montage a été entièrement réalisé avec des composants à maintien de polarisation.
Afin de réaliser un montage permettant de basculer facilement d’une configuration sensible à la phase vers une configuration insensible à la phase, l’ensemble pompe atténuée, signal et idler passe par deux filtres « passe bande » en parallèle connectés à deux coupleurs 50/50 en entrée et en sortie. Cette configuration permet de supprimer la pompe résiduelle et de sélectionner soit l’ensemble signal et idler, soit le signal seul (voir figure 3.5). Le signal et l’idler sont amplifiés (EDFA2) et filtrés avant d’être recombinés à nouveau avec la pompe en utilisant un coupleur 10/90. Un isolateur est utilisé avant la fibre HNLF permettant de bloquer d’éventuels retours optiques après l’injection des trois ondes pompe, signal et idler dans la fibre HNLF. On rappelle ici que les trois signaux injectés dans la fibre ont la même polarisation.
Figure 3.5 – Spectre optique obtenu en sortie du modulateur Mach-Zehnder (spectre rouge) et spectre optique obtenu en sortie des filtres FPB1 et FPB2 (spectre bleu)
La fibre non linéaire utilisée dans cette expérience est la fibre HNLF standard dont les caractéristiques sont présentées dans le tableau 3.1. Nous avons introduit un filtre notch accordable en longueur d’onde et en bande passante à la sortie de la fibre HNLF. Ce filtre permet de supprimer la pompe et de ne détecter que le signal amplifié seul ou bien l’ensemble « signal + idler » amplifiés. Un analyseur de spectre optique (OSA) est utilisé en sortie de la fibre HNLF (1011 m) afin de visualiser les spectres et le gain de l’amplificateur.
II.3.2 Résultats : gain paramétrique de l’amplificateur PSA
La figure 3.6 montre les spectres optiques obtenus en sortie du filtre notch. Il est
Figure 3.6 – Spectres optiques obtenus en sortie de la fibre HNLF. Les paramètres de l’amplificateur sont : L= 1011 m, λp = λZDW = 1547 nm, Pp=23 dBm Ps+i=-10 dBm.
.
important de souligner que tous ces résultats ont été réalisés avec une phase relative Θ qui n’est pas contrôlée. Le spectre bleu représente le signal et l’idler sans la pompe (Pompe OFF, S+I ON) et le spectre rouge représente le signal et l’idler après amplification c’est-à-dire en présence de la pompe (Pompe ON, S+I ON).
La courbe verte représente le spectre de la pompe résiduelle en sortie du filtre notch, et la courbe rouge représente le signal et l’idler après amplification ("signal + idler" ON, pompe ON). L’écart en puissance entre la pompe résiduelle et le signal et l’idler amplifiés est de 25 dB montrant clairement la bonne réjection de la pompe (> 98%) par le filtre notch. Ces spectres sont obtenus dans le cas où la puissance de la pompe injectée dans la fibre HNLF de longueur 1011 m est de 23 dBm (200 mW). La puissance du signal et de l’idler ensemble est de -10 dBm (0.1 mW).
Figure 3.7 – Spectres optiques obtenus en sortie de la fibre HNLF en configuration d’amplification insensible à la phase (PIA). Les paramètres de l’amplificateur sont : L= 1011 m, λp = λZDW = 1547 nm, Pp=23 dBm Ps=-13 dBm.
.
La figure 3.7 montre les spectres optiques obtenus en sortie de la fibre HNLF quand on n’envoie que le signal en entrée, sans idler (configuration PIA). Ici, une onde idler de fréquence symétrique à celle du signal par rapport à la fréquence de la pompe est générée. Cette onde subit le même élargissement spectral que la pompe selon la relation
de conservation de l’énergie qui s’écrit :
ωi = 2ωp− ωs. (3.1)
II.3.3 Vérification de la sensibilité à la phase
Dans le but de montrer la sensibilité à la phase du gain de l’amplificateur, nous avons utilisé le montage expérimental présenté dans le paragraphe II.3.1. Afin de pouvoir moduler la phase relative entre les trois signaux à l’entrée de PSA, nous avons enroulé 20 tours de fibre optique sur un tube piézoélectrique (PZT) de 40 mm de diamètre (voir figure 3.8), sur le bras de la pompe. Le montage expérimental complet est représenté sur la figure 3.9.
Figure 3.8 – Photographie du tube piézoélectrique sur le banc experimental. Dans un premier temps, pour nous assurer que le gain « petit signal » de l’amplifi-cateur PSA est sensible à la phase, nous avons appliqué au PZT un signal sinusoïdal de fréquence f = 1 kHz et d’amplitude Vp−p = 1 V (courbe bleue : figure 3.10) permettant de moduler la phase de la pompe et, par conséquent, la phase relative entre les trois signaux à l’entrée de la fibre HNLF. La courbe rouge de la figure 3.10 montre la variation de la puissance détectée pour le signal et l’idler suite à la modulation de cette phase relative. La puissance signal + idler est modulée entre un maximum correspondant au
Figure 3.9 – Architecture de l’amplificateur paramétrique sensible à la phase à une pompe.
gain maximum (Gmax) et un minimum correspondant en principe à la désamplification (Gmin). A partir de ces valeurs de gain, on peut déduire la dynamique de la variation du gain de l’amplificateur P SDR (dB) = Gmax− Gmin.
On peut définir le gain de l’amplificateur comme étant la différence entre la puissance du signal et de l’idler en sortie de la fibre en présence ou non de la pompe :
Gmax(min)(dB) = 10 log10 Vmax(min)−Vp V(S+I)−VOf f set , (3.2)
avec V(S+I) la tension mesurée sur l’oscilloscope correspondant à l’ensemble signal + idler quand la pompe est désactivée (pompe OFF : courbe verte) et Vp la tension correspondant à la pompe résiduelle (pompe ON, signal + idler OFF) et à l’offset.
Figure 3.10 – Evolution de la puissance signal + idler (en rouge) quand une modulation sinusoïdale (en bleu) est appliquée au PZT. L = 1011 m, Pp = 24 dBm ; Ps+i=-10 dBm.
pour 24 dBm de puissance de pompe injectée dans la fibre et -10 dBm comme puissance pour le signal + idler. Ce résultat montre clairement que le gain est sensible à la phase, bien que le gain ne varie pas entre 10 dB (amplification) et le minimum attendu de -10 dB (désamplification). En effet, la faible dynamique obtenue expérimentalement pourrait être expliquée par l’élargissement spectral de la pompe dû à la modulation de phase [105] utilisée pour réduire le seuil d’apparition de l’effet Brillouin.
Dans le but de vérifier cette hypothèse, nous avons utilisé le même montage expérimen-tal représenté sur la figure 3.4, mais cette fois-ci sans effectuer d’élargissement spectral de la pompe. Dans ce cas, la puissance de la pompe injectée dans la fibre HNLF de longueur 200 m est de 19 dBm. Ce niveau de puissance est inférieur au seuil critique de l’effet Brillouin. Les resultats de variation du gain dans ce cas sont réprésentés sur la figure 3.11 a). La courbe rouge montre la variation de la puissance de l’ensemble signal + idler pour une phase relative qui varie. La courbe bleue montre le niveau de puissance du signal et
de l’idler lorsque la pompe est désactivée. En utilisant l’équation 3.2, on trouve que le gain mesuré varie dans ce cas entre −1.88 dB (désamplification) et 2 dB (amplification). Afin de confirmer ces résultats expérimentaux, nous avons simulé la variation du gain en fonction de la phase relative (équation 1.38) en utilisant les paramètres expérimentaux. Le gain dans ce cas varie entre 2 dB et −2 dB (voir figure 3.11 b)). On constate donc une bonne concordance entre les résultats expérimentaux et les résultats de simulation. Ainsi,
Figure 3.11 – a) Evolution de la puissance signal + idler (en bleu) quand une modulation sinusoïdale est appliquée au PZT. b) Variation du gain théorique en fonction de la phase relative. les paramètres de l’amplificateur sont : L= 200 m, λp = λZDW = 1547 nm, Pp=19 dBm, Ps+i=-10 dBm.
pour avoir un gain important avec une bonne dynamique, il faut utiliser une fibre optique avec un seuil Brillouin relativement élevé. C’est pour cela que nous nous sommes ensuite tournés vers une fibre optique fortement non linéaire à gradient de contrainte (HNLF "SPINE") qui possède un seuil Brillouin relativement élevé.
III Réalisation d’un PSA avec une fibre HNLF
SPINE
Les paramètres de la fibre HNLF SPINE (commercialisée par OFS) utilisée dans cette partie sont résumés dans le tableau 3.2. Celle-ci présente les caractéristiques suivantes :
Longueur (L) 250 m, 250 m Longueur d’onde de dispersion nulle (λZDW) 1566 nm
Coefficient non-linéaire (γ) 8.7 (W.km)−1
Pente de dispersion (D0) 0.083 ps.nm−2.km−1
Atténuation linéique (α) 0.75 dB/km
Table 3.2 – Paramètres de la fibre HNLF SPINE.
1. un seuil d’apparition de l’effet Brillouin très élevé permettant de s’affranchir de modulation de phase de la pompe.
2. une faible variation de la longueur d’onde de dispersion nulle (λZDW) le long de la fibre permettant un accord de phase stable entre les ondes.