Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique

Lorsqu’il est question de fibres optiques, il n’est pas rare d’entendre évoquer des systèmes DWDM (dense wavelength division multiplexing) où plusieurs dizaines de longueurs d’onde sont transportées sur une seule fibre [1] ou encore des débits records atteignant plusieurs dizaines de Gigabits par seconde [2]. Ceci est, bien évidemment lié au fait que les télécommunications numériques furent le premier champ d’application de la technologie fibre optique [3]. Cependant, un autre domaine a su intégrer à son avantage cette technologie ainsi que toutes les avancées produites par le récent « boom » du secteur des télécommunications numériques, il s’agit du transport des signaux analogiques, plus précisément des signaux radiofréquences [4] ou micro-ondes.

Avant l’avènement de la fibre optique, l’acheminement de signaux radars était essentiellement assurée par les câbles coaxiaux [5]. Les fibres optiques offrent une excellente alternative à ces câbles coaxiaux dans le cadre d’applications nécessitant des systèmes plus compacts, plus légers. D’autre part, les fibres présentent de faibles pertes sur de très longues distances et sont insensibles aux possibles interférences électromagnétiques extérieures, ce qui est très avantageux [4]. En effet, les liaisons radars doivent obéir à un cahier des charges très sévère en termes de qualité du signal transmis [6].

L’établissement d’une liaison micro-onde fibrée est constitué de plusieurs étapes. On commence par générer un signal micro-onde électrique qui module un laser jouant le rôle de porteuse optique; cette porteuse sert à transporter le signal d’un point A à un point B au moyen de la fibre optique. À l’arrivée au point B, un détecteur permet la récupération du signal micro-onde électrique. La modulation d’intensité du laser se fait au moyen de modulateurs externes. Actuellement, le modulateur Mach-Zehnder (MZM) est celui qui est le plus communément employé pour la modulation externe en hyperfréquence [7]. Le MZM transforme une modulation de phase en modulation d’intensité, cette modulation reste linéaire tant que l’on se situe dans le régime de fonctionnement du MZM. La modulation est donc inévitablement de faible amplitude, car la linéarité est un facteur primordial dans une liaison optique/hyperfréquence. Après cette étape, on dispose donc d’une porteuse optique de faible puissance (pour ne pas saturer les détecteurs) et de bandes latérales de modulation micro-ondes encore plus faibles (pour conserver la linéarité). Les bandes latérales micro-ondes étant le siège du signal utile, elles requièrent un rééquilibrage en puissance par rapport à la porteuse optique [8]. Le signal optique sort significativement affaibli par ces traitements, c’est là qu’intervient l’amplification optique.

Une des applications envisageable des fibres optiques alliées aux micro-ondes est la « phased-array antenna », ou antenne à balayage de phase [9]. Lorsque l’antenne radar est constituée d’un miroir unique et indéformable cela induit un contrôle mécanique; l’utilisation d’antennes constituées de miroirs multiples présentant des déphasages spécifiques permet de pallier à cette imperfection (on peut aisément modifier le diagramme de rayonnement de l’antenne sans avoir à la déplacer physiquement). L’usage de fibres optiques pour acheminer le signal jusqu’à chaque élément d’antenne apporte une souplesse supplémentaire. En installant des lignes à retard sur chaque fibre on contrôle les déphasages dans le domaine optique. Toutefois, ceci implique de distribuer un même signal optique modulé à un nombre considérable de canaux. Il est donc impératif que le signal optique soit d’une puissance relativement importante. Pour répondre à cette exigence le signal doit être amplifié optiquement.

Les amplificateurs optiques employés actuellement en optique/hyperfréquence sont une source de bruit supplémentaire sur la liaison, ils peuvent donc diminuer de façon dramatique la dynamique de la liaison hyperfréquence. Ce sont soit des amplificateurs optiques à semiconducteurs (SOA) [10], soit des amplificateurs à fibre dopée Erbium (EDFA) [11]. Ces deux types d’amplificateurs, qui fonctionnent sur le principe de l’effet laser, dégradent le signal amplifié par ajout de bruit d’émission spontanée amplifiée. L’apport de l’amplificateur Raman a été largement démontré dans le domaine des télécommunications optiques [12]. Cependant, à notre connaissance, au commencement de cette étude son utilisation n’était toujours pas introduite dans le domaine opto-hyper .

Optique & micro-ondes

Leurs faibles pertes, ainsi que leurs faibles valeurs de dispersion font des fibres optiques monomodes des candidates de choix pour le transport de tous types de signaux. Les fibres ont été abondamment employées, et étudiées, dans le domaine des télécommunications, pour l’acheminement de signaux numériques. Toutefois, les télécommunications numériques n’ont pas été le seul secteur à bénéficier de l’essor de la « technologie fibre optique », les applications nécessitant le transfert de signaux analogiques ont également été révolutionnées par l’avènement de la fibre. C’est ainsi qu’elles ont fait leur apparition chez les « radaristes », s’inscrivant, de par les spécificités que le traitement des micro-ondes implique, dans un champ de recherches alliant optique et micro-ondes, dénommé opto-hyper, ou optique hyperfréquence. L’optique hyperfréquence représente donc le mariage de deux disciplines qui, bien qu’elles dérivent des mêmes équations (Maxwell) avaient jusque-là suivi des voies bien distinctes [4].

Une alliance de raison

Les importants progrès réalisés par l’industrie des télécommunications ont conduit à un large déploiement des fibres optiques. Ces fibres ont été améliorées, optimisées, étudiées de manière extensive afin de transmettre dans les meilleures conditions possibles et sur de très longues distances, des signaux numériques [13]. Le passage de la fibre dans le monde des « radaristes » bien que naturel n’est pas sans soulever de nouvelles questions. Il faut bien se rendre compte de la différence fondamentale qui existe entre les deux systèmes, télécommunications numériques et optique hyperfréquence. En optique hyperfréquence, il s’agit de transmettre un signal analogique. Ce signal analogique hyperfréquence se doit de rester d’une très grande pureté tout au long de la ligne de transmission: ceci nécessite des lignes de transmission extrêmement stables et linéaires. De leur côté, les signaux numériques sont constitués de uns et zéros. Maintenir la pureté spectrale du signal transmis n’est pas nécessaire, il suffit juste que la liaison n’altère pas le signal au point que l’on ne puisse plus à la réception distinguer les uns des zéros. Une transmission digitale reste donc correcte, même en présence de bruit ou de distorsions du signal.  On s’intéresse ici aux bénéfices apportés par l’introduction de la fibre optique dans le domaine du transport des signaux hyperfréquences. Les fibres optiques présentent d’importants avantages comparées aux câbles coaxiaux qu’il était d’usage d’employer pour ce type d’applications. Tout d’abord, elles sont évidemment très légères et peu encombrantes, ce qui peut être un atout majeur, à bord un avion par exemple [14]. De plus, elles présentent de faibles pertes sur de très longues distances et sur toute la plage de fréquences micro-ondes, ce qui est loin d’être insignifiant. À titre de comparaison, un câble coaxial présente des pertes de l’ordre du dB/m à 5GHz tandis qu’une fibre optique classique présente, elle, des pertes de 0,2dB/km à 1,55μm!Il faut, bien entendu, tenir compte des pertes conséquentes introduites sur la liaison lors des couplages dans et hors de la fibre et des différentes conversions électro-optiques. Toutefois, même ainsi, les fibres optiques restent compétitives pour des liaisons aussi courtes que quelques dizaines de mètres [15]. Et, ce qui ne gâte rien, les fibres optiques sont faciles à installer et moins onéreuses à entretenir que les câbles coaxiaux. Un autre avantage: la propagation se faisant dans un milieu diélectrique, les signaux ne sont pas sensibles aux interférences électromagnétiques (EMI) pendant leur transmission. Ce dernier point s’avère non négligeable, surtout si l’on considère les fonctions primaires d’un radar que sont la détection de cibles fixes ou en mouvement ainsi que la détermination de divers paramètres de cette cible.

La liaison optique hyperfréquence

définition de la liaison

On définit la liaison optique hyperfréquence avec, en entrée, un signal micro-onde et en sortie un signal micro-onde. Ainsi, il est aisé de l’intégrer, en termes de performances, comme un bloc dans un système micro-onde plus complexe de la même façon qu’un quelconque composant micro-onde.

La liaison optique hyperfréquence se compose de trois principaux blocs .
• Tout d’abord, il faut produire un signal micro-onde qui va ensuite moduler une porteuse optique. Ceci va constituer la partie « émetteur » de la liaison, il effectue la conversion électrooptique.
• Ensuite il faut transporter ce signal modulé grâce au « milieu de transmission », dans le cas qui nous préoccupe une fibre optique. C’est la partie tout-optique, où va se situer tout le traitement optique du signal (amplificateurs…), qui agira non seulement sur la porteuse optique mais également sur le signal micro-onde.
• Enfin, il faut récupérer le signal micro-onde, c’est la partie « récepteur », un photodétecteur qui effectue la conversion opto-électronique.

En règle générale, la longueur d’onde de la porteuse optique utilisée est adaptée au milieu de transmission. Elle se situe soit à 1,3μm, minimum de dispersion de la fibre monomode standard, soit à 1,55μm, minimum d’atténuation de la fibre, (qui est pour cette raison la fenêtre pour laquelle on dispose des meilleurs amplificateurs optiques développés pour le domaine des télécommunications numériques). En travaillant aux longueurs d’onde télécoms, la fibre n’introduit pas de limitations sur la bande passante de la liaison. Ces limitations proviennent pour l’essentiel des caractéristiques de l’émetteur et du récepteur, ce sont eux qui pourraient affaiblir les performances de la liaison, performances qui se mesurent, notamment, en termes de gain de la liaison.

Table des matières

INTRODUCTION
I. OPTIQUE & MICRO-ONDES
I.1. UNE ALLIANCE DE RAISON
I.2. LA LIAISON OPTIQUE HYPERFRÉQUENCE
I.2.1. définition de la liaison
I.2.2. émetteurs
I.2.3. récepteurs
I.3. PROPRIÉTÉS DE LA LIAISON
I.3.1. origine des pertes
I.3.2. gain
I.3.3. linéarité, dynamique
I.3.4. le bruit, sources et mesure
I.4. L’AMPLIFICATION OPTIQUE, ÉTAT DE L’ART
I.4.1. amplificateurs à semi-conducteurs
I.4.2. amplificateurs à fibres dopées
II. L’AMPLIFICATEUR RAMAN FIBRÉ
II.1. LA DIFFUSION RAMAN STIMULÉE
II.1.1. la diffusion Raman spontanée, modèle classique
II.1.2. équations de propagation de la diffusion Raman stimulée
II.1.3. calcul du gain
II.2. LES ÉLÉMENTS DE L’AMPLIFICATEUR RAMAN FIBRÉ
II.2.1. les fibres optiques
II.2.2. les lasers
III. LE BRUIT EN AMPLIFICATION RAMAN
III.1. L’ÉMISSION SPONTANÉE AMPLIFIÉE
III.2. TRANSFERT DU BRUIT DE LA POMPE PAR MÉLANGE À QUATRE ONDES
III.2.1. le système étudié
III.2.2. propagation non linéaire des ondes dans le milieu Raman
III.2.3. transfert de RIN de la pompe vers le signal
III.2.4. conclusion
III.3. RÉDUCTION DU BRUIT
III.3.1. description de l’amplificateur Raman stimulé à bruit réduit
III.3.2. description classique de la réduction du bruit en termes d’holographie dynamique
III.3.3. description de la réduction du bruit en optique non linéaire
III.3.4. description quantique de la réduction du bruit en amplification Raman bifréquence
IV. ÉTUDE EXPÉRIMENTALE DE L’AMPLIFICATEUR RAMAN FIBRÉ
IV.1. TECHNIQUES EXPÉRIMENTALES
IV.1.1. le dispositif expérimental
IV.1.2. méthodes de mesure
IV.1.3. le coefficient de gain Raman
IV.1.4. figures de mérite
IV.2. MESURES DE GAIN RAMAN ET D’ASE
IV.2.1. caractérisation du montage
IV.2.2. performances en co-propageant ou contra-propageant
IV.2.3. influence de la modulation hyperfréquence
IV.3. COMPARAISON DE L’AMPLIFICATEUR RAMAN AVEC UN EDFA
IV.3.1. caractéristiques de l’EDFA
IV.3.2. résultats
IV.4. SUPPRESSION COHÉRENTE DU GAIN
IV.4.1. montage expérimental
IV.4.2. résultats
IV.4.3. interprétation des résultats
IV.4.4. conclusion
CONCLUSION & PERSPECTIVES
ANNEXES
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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