Un amplificateur optique suivi d'un
isolateur
pour proteger des reflexions.
En
optique
, on appelle
amplificateur optique
un dispositif qui amplifie un signal lumineux sans avoir besoin de le convertir d'abord en
signal electrique
avant de l'amplifier avec les techniques classiques de l'
electronique
.
Diagramme schematique d'un amplificateur a fibre dopee
Un amplificateur a
fibre
dopee fonctionne a la maniere d'un
laser
. Une portion de fibre optique est
dopee
et est
pompee
optiquement avec un laser afin de placer les ions de dopage dans un etat excite. Lorsqu'un signal lumineux passe a travers ce morceau de fibre optique, il desexcite les ions par effet laser en produisant un photon en tout point identique au photon incident. Le signal lumineux a donc ete double.
Par
effet d'avalanche
, l'amplification du signal se fait jusqu'a la sortie de la section dopee de la fibre optique.
Bruit dans les amplificateurs a fibre dopee
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Les amplificateurs a fibre dopee sont sujets a un bruit qui est du a la desexcitation spontanee des ions. Cette desexcitation produit des photons dans des directions aleatoires, mais seule la direction avant intervient dans le bruit final observe en sortie de fibre.
La desexcitation dans les autres directions, notamment en sens inverse de la propagation normale du signal est egalement indesirable, car elle reduit le rendement de l'amplificateur en des-excitant des ions qui ne peuvent ainsi plus participer a l'amplification ≪ utile ≫ du signal.
Afin d'eviter un trop fort bruit d'amplification, on travaille a des gains moderes.
Dans les amplificateurs a fibre dopee, on peut mettre en evidence une difference d'amplification (<0.5dB) en fonction de la polarisation du signal incident.
Amplification erbium
Les amplificateurs a fibre dopee a l'
erbium
(EDFA) sont les plus communs.
Les longueurs d'onde de travail sont reparties en deux fenetres. La bande
Conventionnelle
(d'ou C-Band) entre 1 525
nm
et 1 565
nm
et la bande
Longue
(appelee L-Band) entre 1 570
nm
et 1 610
nm
. Ces deux bandes peuvent etre indifferemment amplifiees par ce type d'amplificateur, mais on prefere souvent utiliser des amplificateurs optimises pour chaque application.
La principale difference entre les amplificateurs pour bande C ou L est que pour la bande L, la longueur de fibre dopee est nettement plus longue, ce qui necessite un pompage optique moins fort.
Il existe deux longueurs d'onde pour le
pompage optique
de ce type d'amplificateur : 980
nm
et 1 480
nm
. La
longueur d'onde
de 980
nm
est habituellement utilisee pour des equipements a faible bruit. Par contre, comme la fenetre d'absorption est relativement etroite, on doit utiliser des sources lasers stabilisees. La fenetre d'absorption de la longueur d'onde de 1 480
nm
est plus large et est habituellement utilise pour des amplifications de plus forte puissance. Le pompage optique a ces deux longueurs d'onde est habituellement utilise en conjonction dans les systemes.
Les amplificateurs a fibre dopee a l'erbium ont ete inventes par une equipe comprenant
David N. Payne
(en)
de l'
universite de Southampton
ainsi qu'un groupe des Laboratoires
AT&T
Bell Labs
incluant un chercheur francais
Emmanuel Desurvire
.
L'
EDFA
[
1
]
est un amplificateur optique a fibre dopee aux ions erbium compose d'une petite longueur de fibre dopee aux ions Er3+. Le signal optique a amplifier ainsi que le laser pompe (apportant l'energie) sont couples dans la fibre dopee et emettent dans la meme direction.
Amplificateurs pour d'autres longueurs d'onde
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Le
thulium
est utilise comme dopant pour amplifier les signaux entre 1450 et 1 490
nm
et le
praseodyme
pour les longueurs d'onde d'environ 1 300
nm
. Toutefois, ces longueurs d'onde n'ont pas connu un usage commercial significatif et n'ont pas permis un developpement de ces amplificateurs comme les amplificateurs dopes a l'erbium.
Amplification Raman
Les amplificateurs Raman n'utilisent pas les transitions atomiques d'ions dopes terres-rares dans les fibres mais se basent sur un echange d'energie par
diffusion Raman
. Tous les materiaux ont un spectre Raman caracteristique. Un faisceau laser de pompage injecte dans la fibre (dans le sens de propagation du signal ou preferentiellement en sens inverse) va amplifier la lumiere decalee vers les basses frequences d'environ
13,2
THz
, valeur caracteristique du decalage Raman dans la silice. Pour les telecommunications optiques usuelles a
1 550
nm
, il faut donc utiliser un laser de pompage autour de
1 450
nm
.
L'amplification Raman presente divers avantages. Elle ne necessite pas de fibres speciales. Elle peut donc etre utilisee directement dans les fibres de communication et elle se repartit naturellement le long de la fibre. On parle alors d'amplification Raman distribuee. Une amplification distribuee degrade moins le rapport signal a bruit qu'une amplification localisee. L'amplification Raman presente egalement des atouts non negligeables dans les communications multiplexees en longueurs d'onde car sa bande passante de gain est superieure a celles offertes par les autres techniques d'amplification. En revanche, elle requiert une forte puissance optique de pompage.
Les amplificateurs a semi-conducteurs ont la meme structure qu'une
diode laser
de type
Fabry
-
Perot
mais sans les dispositifs de reflexion aux extremites pour eviter l'effet laser dans ce type d'application.
Ce dispositif d'amplification est de petite taille et a l'avantage que le pompage est electrique (plus besoin de produire une lumiere laser pour faire le pompage optique). La fabrication de ce type d'amplificateur est meilleur marche, mais a l'inconvenient d'introduire plus de bruit. Il a un gain plus modeste que les amplificateurs a fibre dopee a l'erbium.
Pour une puissance de sortie elevee, des amplificateurs optiques a structure conique sont utilises. La gamme de longueur d'onde est de 633
nm
a 1 480
nm
[
2
]
.
Ces amplificateurs sont de plus en plus disponibles de par l'avenement du 100 Gbit/s
Ethernet
module en 100GBASE-LR4 ou 100GBASE-ER4 (normalisees par l'IEEE 802.3bm
[
3
]
) car les amplificateurs
SOA
sont capables de couvrir la bande 1296-1309 nm utilisee. On peut des lors envisager des portees de l'ordre de 40 a 60km sans avoir a recourir a des solutions
OTN
coherentes
. Des distances plus importantes ne peuvent que difficilement etre atteintes en amplification simple du fait du bruit genere par les
lasers Fabry-Perot
[
4
]
.