Amplificateurs optiques pour les télécommunications à haut débit

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La fibre optique

La fibre optique est un guide d’onde qui exploite les propriétés réfractrices de la lumière. Elle est habituellement constituée d’un cœur entouré d’une gaine. Le cœur de la fibre a un indice de réfraction légèrement plus élevé (différence de quelques millièmes) que la gaine et peut donc confiner la lumière qui se trouve entièrement réfléchie de multiples fois à l’interface entre les deux matériaux (en raison du phénomène de réflexion totale interne). L’ensemble est généralement recouvert d’une gaine plastique de protection.
Lorsqu’un rayon lumineux entre dans une fibre optique à l’une de ses extrémités avec un angle adéquat, il subit de multiples réflexions totales internes. Ce rayon se propage alors jusqu’à l’autre extrémité de la fibre optique sans perte, en empruntant un parcours en zigzag. La propagation de la lumière dans la fibre peut se faire avec très peu de pertes même lorsque la fibre est courbée. ng Gaine θ nc θmax Cœur
Une fibre optique est souvent décrite selon deux paramètres :
• la différence d’indice normalisé, qui donne une mesure du saut d’indice entre le cœur et la gaine : Δ = nc − ng nc
où nc est l’indice de réfraction du cœur, et ng celui de la gaine.
• l’ouverture numérique de la fibre (numerical aperture), qui est concrètement le sinus de l’angle d’entrée maximal de la lumière dans la fibre pour que la lumière puisse être guidée sans perte, mesuré par rapport à l’axe de la fibre. L’ouverture numérique est égale à : sinθ max = nc2 − n2g
Il existe plusieurs types de fibre optique. Dans la fibre à saut d’indice, l’indice de réfraction change brutalement entre le cœur et la gaine. Dans la fibre à gradient d’indice, ce changement d’indice est beaucoup plus progressif. Dans les fibres à cristaux photoniques, l’écart d’indice entre les différents matériaux (en général la silice et l’air) est beaucoup plus important. Dans ces conditions, les propriétés physiques du guidage diffèrent sensiblement des fibres à saut d’indice et à gradient d’indice.
Dans le domaine des télécommunications optiques, le matériau privilégié est la silice très pure car elle présente des pertes optiques très faibles. Quand l’atténuation n’est pas le principal critère de sélection, on peut également mettre en œuvre des fibres en matière plastique.
Un câble de fibres optiques contient en général plusieurs paires de fibres, chaque fibre conduisant un signal dans chaque sens.

Fabrication des fibres

Pour fabriquer une fibre optique, il est nécessaire de réaliser une préforme qui n’est autre qu’un « barreau de verre » dont les dimensions sont de un à une dizaine de centimètres pour le diamètre, et de 30 centimètres à plus de 1 mètre pour la longueur. Ensuite il faut étirer ou fibrer celle ci.
Il existe un grand nombre de processus pour concevoir une préforme, des internes comme la méthode PCVD (pour Plasma Chemical Vapor Deposition), ou externes comme la méthode VAD (Vapor Axial Deposition). Cependant, nous allons seulement nous intéresser au procédé interne appelé MCVD car c’est la technique la plus utilisée.

Méthode M.C.V.D

Ce processus de fabrication de préforme nécessite de réaliser deux étapes distinctes qui sont le dépôt puis le rétreint. La technique est décrite pour le cas d’une préforme classique.
La réalisation d’une préforme s’effectue à partir d’un tube de silice de haute pureté qui ne contient par conséquent que quelques ppm d’ions OH- (1 ppm correspond à 0,8×1022 m-3). Celui-ci est monté sur un tour verrier, puis mis en rotation. Il est à noter que ce tube forme la gaine optique « support » de la fibre.
A l’une des extrémités du tube (figure II.1.a(a)), on injecte un mélange gazeux constitué d’halogénures et d’oxygène et on chauffe à haute température (1400° à 1600°) au moyen d’un chalumeau oxhydrique qui se déplace le long du tube, à la vitesse de quelques dizaines de centimètres à la minute, permettant d’activer la réaction d’oxydation des halogénures. L’opération donne lieu à la formation et au dépôt de suie de silice par couches successives de 5 à 10 µm d’épaisseur. Au passage du chalumeau sur les suies, le dépôt est vitrifié.
Une fois le dépôt terminé, on stoppe l’injection de gaz (figure II.1.a(b)). Cependant, un trou central subsiste à l’intérieur de la préforme. On augmente donc la température de chauffage jusqu’à atteindre la température de 1800°, ce qui provoque un ramollissement de la silice suffisant pour permettre un rétreint homogène, grâce aux forces dues aux tensions superficielles.
Typiquement, si on veut réaliser une fibre standard, on dépose des couches de silice pure qui constitueront la gaine optique « déposée » et des couches de silice dopée au germanium qui formeront le cœur. Le rapport entre les rayons de ces couches de la préforme ainsi que leur indice de réfraction sont les mêmes que ceux de la future fibre. La fibre optique est une homothétie de la préforme.

Etirage de la préforme :

Une fois la préforme réalisée, la seconde étape consiste à réaliser une fibre optique à partir de celle ci. Cette opération est effectuée grâce à une tour de fibrage dont le schéma synoptique est donné figure II.1.2.
La préforme est tout d’abord introduite dans un four à induction afin de chauffer sa partie inférieure à une température proche de sa température de fusion (aux alentours de 1800°) (figure II.1.1(a)). La préforme commence à se ramollir et il se forme une goutte de silice. Cette goutte descend par gravité, en entraînant un fil de silice, à l’intérieur d’un tube en surpression d’argon afin de protéger la silice des impuretés et de l’humidité. Puis la fibre est enduite d’une résine de protection immédiatement polymérisée par un rayonnement ultraviolet. La fibre est terminée, il ne reste plus qu’à l’enrouler sur un tambour précédé d’un cabestan dont la vitesse de rotation est asservie par un système de contrôle du diamètre (figure II.1.1(b)).
Comme nous l’avons déjà note dans le paragraphe II.1.1, la fibre optique est une homothétie de la préforme dont l’équation de fibrage est la suivante : v ⋅ d 2 = V ⋅ D2
Avec v, V, vitesses respectivement d’enroulement de la fibre et de descente de la préforme et d, D, respectivement diamètres de la fibre et de la préforme.

La dispersion modale de polarisation (PMD) :

Les paramètres opto-géométriques d’une fibre dite idéale sont à symétrie de révolution dans une section droite. Cependant en réalité, des imperfections de fabrication ou des contraintes mécaniques conduisent à briser cette symétrie. Par conséquent, le cœur central peut alors présenter une légère ovalisation qui va entraîner des contraintes radiales différentielles engendrant ce qu’on appelle une biréfringence. Dans ce cas là, la dégénérescence entre les modes électromagnétiques est levée. Donc, pour le mode fondamental linéairement polarisé LP01 d’une fibre anisotrope, les deux modes électromagnétiques qui le composent voyagent à des vitesses de phase différentes et donnent lieu à un élargissement de l’impulsion (Figure II.3.2.1).

Les effets non linéaires :

Les systèmes de télécommunication sur fibre optique sont conçus dans l’hypothèse d’une transmission linéaire, les effets non-linéaires sont alors des effets parasites qui dégradent les performances quand les puissances véhiculées deviennent élevées. Aujourd’hui les systèmes de transmission à haut débit et grande distance utilisent des amplificateurs de puissance à l’émission, ce qui conduit à des puissances injectées dans la fibre très élevées et des effets non-linéaires non négligeables.

Effet Kerr :

L’effet Kerr en optique géométrique est une extension des lois de réfraction de la lumière lors de la propagation de cette lumière dans des milieux d’indices variables.

L’indice de réfraction n peut alors s’exprimer sous la forme d’une fonction non-linéaire, du champ électrique E (anisotropie du matériau) : n = n0 + n2│E2│

Cet effet prend une importance considérable dans l’industrie des télécommunications. Une première conséquence de l’effet Kerr se traduit par de l’auto-modulation de phase, de la modulation de phase croisée et du mélange à quatre ondes.

Auto-modulation de phase (SPM, Self PhaseModulation) :

La variation de l’indice de réfraction en fonction de la puissance présente localement dans la fibre, induit une modulation de phase parasite qui, sous l’effet de la dispersion chromatique, se traduit par un élargissement de l’impulsion et donc la création d’interférences entre symboles. Elle est bien sûr liée à la puissance injectée.

Modulation de phase croisée (XPM, Cross Phase Modulation) :

L’indice de réfraction vu par le signal se propageant dans un canal est modifié par les impulsions se propagent dans les autres canaux. Quand une impulsion est transportée dans un canal, elle subit une modulation de phase et se retrouve, après croisement, affectée d’un déphasage proportionnel à la puissance du signal interférant. Ce déphasage constant n’a pas d’influence ensuite sur la suite de la propagation, sauf dans le cas où le croisement se fait dans un amplificateur de ligne. Dans ce cas en effet, l’impulsion interférant voit sa puissance variée à la traversée de l’amplificateur et le signal perturbé est donc affecté d’un déphasage dépendant du temps, ce qui entraînera une déformation sous l’effet de la dispersion chromatique. La grandeur significative est la longueur de battement (walk-off) qui peut-être reliée à la durée des impulsions T, la dispersion chromatique D, et l’écart spectral Δλ entre chaque canal est donné par : Lwo = T (1) D⋅Δλ

Mélange à quatre ondes (FWM , Four Wave Mixing) :

Si deux ondes se propagent dans la fibre, la non-linéarité induit une modulation de phase croisée, ainsi que des phénomènes connus sous le nom de mélange à trois ou quatre ondes, sources d’intermodulation entre les différents canaux d’un système de transmission utilisant plusieurs longueurs d’ondes. Le battement de deux canaux aux fréquences f1 et f2 engendre des produits d’intermodulation aux fréquences 2f1-f2 et 2f2-f1 dont l’effet est particulièrement néfaste lorsqu’une de ces fréquences est égale à celle d’un autre canal multiplex.

Effets Raman et Brillouin :

L’étude de ces effets étant complexe, nous n’en présenterons que les conséquences principales.

L’effet Raman :

C’est le plus connu des effets non linéaires. Il s’agit d’une interaction « photon-phonon », c’est à dire d’échange d’énergie entre l’onde optique et les vibrations du matériau. Ici on parle de phonons optiques qui correspondent à des vibrations internes aux édifices moléculaires dont le milieu est constitué.

L’effet le plus probable est la fusion d’un photon « pompe » (w1, β1) en un autre photon (w2, β2) et un phonon optique (wph, βph). On parle alors de diffusion Raman spontanée. La loi de dispersion de ces phonons fait que l’accord des β est automatiquement réalisé permettant d’écrire : w2 = w1 – wph = w1 – wR (2)

Un décalage vers une fréquence basse, c’est à dire vers une longueur d’onde plus élevée dite longueur d’onde stokes se produit. Le décalage en fréquence wR correspond à environ 13THz pour la silice.

Composants optiques pour les télécommunications à haut débit :

WDM (Multiplexage en longueur d’onde) :

Pendant de nombreuses années le seul moyen d’augmenter la capacité d’un réseau de télécommunication optique était de rajouter des fibres, ceci induisant des coûts très importants pour un débit maximum par fibre n’excédant pas plus de 2,4 Gbit/s.
Par la suite, l’idée du multiplexage qui consiste à transmettre simultanément un certain nombre de signaux sur une seule ligne s’est imposée. Le gain visé est simple : économiser le milieu de transmission en le partageant entre plusieurs signaux.
Tout d’abord, on a eu la possibilité d’investir dans la technologie TDM (Time Division Multiplexing) : cette technique permet une division des signaux selon des périodes de temps. Ainsi, on transmet quelques signaux distincts sur une seule fibre en employant des segments de temps préalablement définis. On peut alors atteindre des débits de 10 Gbit/s mais la nécessité de réaliser de gros investissements dans de nouvelles infrastructures la rend trop coûteuse.
De plus, les demandes de débits étant toujours croissantes et comme des développements ont permis l’augmentation de la bande passante des fibres optiques, on s’est tourné vers la technologie WDM (Wavelength Division Multiplexing). Le multiplexage en longueur d’onde est une technique qui consiste à injecter simultanément sur une même fibre des signaux lumineux à des longueurs d’onde distinctes. La bande passante de la fibre optique étant de l’ordre de 45 Thz, elle présente alors un fort potentiel au multiplexage de très nombreux canaux sur de longues distances [6].
La figure III.1 nous montre un système classique basé sur la technique WDM. A l’émission, on multiplexe N canaux au débit nominal D, à la réception, on démultiplexe le signal global N x D en N canaux : la fibre transporte un multiple de N canaux ce qui est par conséquent équivalent en terme de capacité à N fibres transportant chacune un canal. Cette approche permet par conséquent d’augmenter la capacité d’un réseau de manière importante sans modifier son infrastructure physique.
Comme la fibre optique de silice a son minimum d’atténuation dans la troisième fenêtre optique (autour de 1550 μm), la norme de l’union internationale des télécommunications ITU-T G 692 (Interfaces optiques pour systèmes multi-canaux avec amplificateurs optiques) a défini un peigne de longueurs d’onde autorisées dans la seule fenêtre de transmission 1530-1565 μm (appelée bande C) [7]. Elle normalise l’espacement en nanomètre (nm) ou en Gigahertz (GHz) entre deux longeurs d’onde permises de la fenêtre : 200 GHz ou 1,6 nm et 100 GHz ou 0,8 nm.
La technologie WDM est dite dense (DWDM pour Dense WDM) lorsque l’espacement utilisé est égal ou inférieur à 100 GHz. Des systèmes à 50 GHz (0,4 nm) et à 25 GHz (0,2 nm) ont déjà été testés et permettent de multiplexer des centaines de longueurs d’onde, on parlera alors de U-DWDM (Ultra – Dense Wavelength Division Multiplexing).
Les systèmes WDM / DWDM commercialisés aujourd’hui comportent de 4 à 80, voire 160 canaux optiques, ce qui permet d’atteindre des capacités de 10 à 200 voire 400 Gb/s en prenant un débit nominal de 2,5 Gb/s. Des débits nominaux de 40 Gb/s ont été atteints et ont permis d’obtenir 3,2 Tb/s avec 80 canaux optiques multipléxés sur la bande C. En 2000, le réseau transatlantique FLAG ATLANTIC-1 est le premier réseau haut débit – longue distance avec une capacité de 1,28Tbit/s.

Les Diodes Laser :

Une diode laser est un composant capable de produire un rayonnement cohérent par émission stimulée (figure III.2.1) comme l’indique l’acronyme dont le mot LASER est issu : Light Amplifier by Stimulated Emission of Radiation.
En pratique, il s’agit de faire passer un signal lumineux plusieurs fois dans un amplificateur grâce à une boucle de contre-réaction. Le système permettant la circulation est généralement appelé résonateur ou cavité (résonante). Deux résonateurs typiques sont illustrés en figure III.2.2. On parle de cavité linéaire lorsque l’ensemble des composants constituant le laser sont sur une même ligne (cas (a) de la figure III.2.2.) et de configuration en anneau sinon (voir cas (b) figure III.2.2.).
Pour obtenir l’effet laser, il est nécessaire d’apporter un minimum d’énergie (pompage), sous forme électrique ou optique afin qu’à chaque tour, le gain introduit par l’amplificateur dépasse les pertes subies au niveau des miroirs et lors de la propagation dans la cavité. Le niveau d’énergie où il y a exacte compensation des pertes par le gain est appelé seuil du laser. Puisqu’en général les sources optiques n’exploitent pas l’émission produite avant l’effet laser, on cherche à réduire au maximum ce seuil afin de limiter la consommation d’énergie. Une fois l’effet laser obtenu, on constate que certaines ondes bien déterminées, qui se propagent dans la cavité, sont favorisées tandis que d’autres sont atténuées (figure III.2.3). Les ondes favorisées portent le nom de modes longitudinaux. On dispose d’un mode longitudinal à chaque fois que la phase accumulée lors d’un aller-retour dans la cavité, est un multiple de 2π, c’est-à-dire lorsque la distance optique d’un tour de la cavité correspond à un multiple entier de la longueur d’onde du signal lumineux [8].

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Table des matières

o Introduction générale
Chapitre 1 : Télécommunications par fibres optiques
I. Historique
II. La fibre optique
II.1. Fabrication des fibres
II.1.1. Méthode M.C.V.D
II.1.2. Etirage de la préforme
II.2. Déférents types des fibres optiques
II.2.1. Fibre multimode à saut d’indice
II.2.2. Fibre multimode à gradient d’indice
II.2.3. Fibre monomode
II.3. Le signal optique
II.3.1. Dispersion chromatique
II.3.2. La dispersion modale de polarisation (PMD)
II.3.3. Atténuation
II.4. Les effets non linéaires
II.4.1. Effet Kerr
II.4.1.1. Auto-modulation de phase (SPM, Self PhaseModulation)
II.4.1.2. Modulation de phase croisée (XPM, Cross Phase Modulation)
II.4.1.3. Mélange à quatre ondes (FWM , Four Wave Mixing)
II.4.2. Effets Raman et Brillouin
II.4.2.1. L’effet Raman
II.4.2.2. L’effet Brillouin
III. Composants optiques pour les télécommunications à haut débit
III.1. WDM (Multiplexage en longueur d’onde)
III.2. Les Diodes Laser
III.3. Les isolateurs
III.4. Les coupleurs
III.5. Les filtres optiques
Chapitre 2 : Amplificateurs optiques pour les télécommunications à haut débit
I. Introduction
II. Caracteristiques Des Amplificateurs Optiques
II.1. Amplificateurs optiques à semi-conducteurs (AOSC)
II.2. Amplificateurs à fibres optiques
II.2.1. Amplificateurs à fibre dopée terres rares
II.2.2. Amplificateurs à effet non-linéaires (Raman, Brillouin)
III. Utilisation Des Amplificateurs Optiques
IV. Conclusion
Chapitre 3 : Les fibres dopées aux ions de terres rares
I. Structure vitreuse des fibres optiques standard
II. Fabrication des fibres dopées aux ions de terres rares
II.1. Dopage en phase vapeur
II.2. Dopage en phase liquide
II.3. Etirage de la préforme
III. Les ions terres rares
III.1. Introduction
III.2. Propriétés optique des ions terres rares
III.2.1. Mécanismes de relaxation dans le cas des ions Er3+
III.2.1.1. Interaction des ions avec un rayonnement électromagnétique (Mécanismes radiatifs)
III.2.1.2. Mécanismes non-radiatifs
IV. Comportement spectral des fibres optiques dopées à l’Erbium
IV.1. Effet stark
IV.2. Élargissement homogène
IV.3. Élargissement inhomogène
IV.4. Fluorescence
IV.5. Sections efficaces d’absorption et d’émission
Chapitre 4 : Fonctionnement et modélisation des amplificateurs à fibres optiques dopées Erbium (EDFA)
I. Introduction
II. Configuration des amplificateurs à fibre dopée à l’erbium
II.1. Schéma classique d’un amplificateur à fibre dopée à l’erbium
II.2. Autre types de pompage optique
III. Equations d’évolution et modélisation
III.1. Pompage à 980nm
III.2. Pompage à 1480nm
III.3. Description de la propagation du pompage et du signal dans la fibre dopée 71
III.4. Efficacité de conversion quantique et efficacité de conversion de la puissance de pompe
IV. Simulation de l’amplificateur à fibre dopée Erbium
IV.1. Le Gain en fonction de (L , Pp)
IV.2. Le Gain en fonction de (r , Pp)
IV.3. Le Gain en fonction de (ρEr, Pp)
IV.4. Le bruit (ASE)
V. Conclusion
• Conclusion générale
• Appendix A
• Référence