1. Classification deFibreAamplificateurs
Il existe trois principaux types d’amplificateurs optiques :
(1) Amplificateur optique à semi-conducteur (SOA, amplificateur optique à semi-conducteur) ;
(2) Amplificateurs à fibre optique dopés aux terres rares (erbium Er, thulium Tm, praséodyme Pr, rubidium Nd, etc.), principalement des amplificateurs à fibre dopée à l'erbium (EDFA), ainsi que des amplificateurs à fibre dopée au thulium (TDFA) et des amplificateurs à fibre dopée au praséodyme (PDFA), etc.
(3) Amplificateurs à fibre non linéaire, principalement des amplificateurs Raman à fibre (FRA, Fiber Raman Amplifier). La principale comparaison des performances de ces amplificateurs optiques est présentée dans le tableau.
EDFA (amplificateur à fibre dopée à l'erbium)
Un système laser multi-niveaux peut être formé en dopant la fibre de quartz avec des terres rares (Nd, Er, Pr, Tm, etc.). Le signal lumineux d'entrée est directement amplifié par la lumière de pompage. Après une rétroaction appropriée, un laser à fibre est formé. Les longueurs d'onde de travail de l'amplificateur à fibre dopé Nd sont de 1060 nm et 1330 nm. Leur développement et leur application sont limités, notamment en raison de l'écart par rapport au port de réception optimal des communications par fibre optique. Les longueurs d'onde de fonctionnement de l'EDFA et du PDFA se situent respectivement dans la fenêtre des longueurs d'onde à faible perte (1550 nm) et à dispersion nulle (1300 nm) des communications par fibre optique. Le TDFA fonctionne en bande S, ce qui le rend particulièrement adapté aux applications des systèmes de communication par fibre optique. L'EDFA, dont le développement est le plus rapide, s'est avéré particulièrement utile.
LePprincipe de l'EDFA
La structure de base de l'EDFA est illustrée à la figure 1(a), qui se compose principalement d'un milieu actif (fibre de silice dopée à l'erbium d'environ plusieurs dizaines de mètres de long, avec un diamètre de cœur de 3 à 5 microns et une concentration de dopage de (25 à 1000) x 10-6), d'une source lumineuse de pompage (LD à 990 ou 1480 nm), d'un coupleur optique et d'un isolateur optique. La lumière de signal et la lumière de pompage peuvent se propager dans la même direction (pompage codirectionnel), dans des directions opposées (pompage inverse) ou dans les deux directions (pompage bidirectionnel) dans la fibre d'erbium. Lorsque le signal lumineux et la lumière de pompage sont injectés simultanément dans la fibre d'erbium, les ions erbium sont excités à un niveau d'énergie élevé sous l'action de la lumière de pompage (Figure 1 (b), un système à trois niveaux), et décroissent rapidement jusqu'au niveau d'énergie métastable, lorsqu'ils reviennent à l'état fondamental sous l'action du signal lumineux incident, ils émettent des photons correspondant au signal lumineux, de sorte que le signal est amplifié. La Figure 1 (c) est son spectre d'émission spontanée amplifiée (ASE) avec une large bande passante (jusqu'à 20-40 nm) et deux pics correspondant respectivement à 1530 nm et 1550 nm.
Les principaux avantages de l'EDFA sont un gain élevé, une large bande passante, une puissance de sortie élevée, une efficacité de pompage élevée, une faible perte d'insertion et une insensibilité à l'état de polarisation.
2. Problèmes avec les amplificateurs à fibre optique
Bien que l'amplificateur optique (en particulier l'EDFA) présente de nombreux avantages remarquables, il n'est pas idéal. Outre le bruit supplémentaire qui réduit le rapport signal/bruit du signal, il présente d'autres inconvénients, tels que :
- L'irrégularité du spectre de gain dans la bande passante de l'amplificateur affecte les performances d'amplification multicanal ;
- Lorsque les amplificateurs optiques sont mis en cascade, les effets du bruit ASE, de la dispersion des fibres et des effets non linéaires s'accumulent.
Ces questions doivent être prises en compte dans la conception des applications et des systèmes.
3. Application de l'amplificateur optique dans les systèmes de communication par fibre optique
Dans le système de communication par fibre optique, leAmplificateur à fibre optiquepeut être utilisé non seulement comme amplificateur de puissance de l'émetteur pour augmenter la puissance de transmission, mais également comme préamplificateur du récepteur pour améliorer la sensibilité de réception, et peut également remplacer le répéteur optique-électrique-optique traditionnel, pour étendre la distance de transmission et réaliser une communication entièrement optique.
Dans les systèmes de communication par fibre optique, les principaux facteurs limitant la distance de transmission sont la perte et la dispersion de la fibre optique. Avec une source lumineuse à spectre étroit ou une longueur d'onde proche de la dispersion nulle, l'influence de la dispersion de la fibre est faible. Ce système ne nécessite pas de régénération complète de la synchronisation du signal (relais 3R) à chaque station relais. Il suffit d'amplifier directement le signal optique avec un amplificateur optique (relais 1R). Les amplificateurs optiques peuvent être utilisés non seulement dans les systèmes interurbains longue distance, mais aussi dans les réseaux de distribution par fibre optique, notamment les systèmes WDM, pour amplifier plusieurs canaux simultanément.
1) Application des amplificateurs optiques dans les systèmes de communication à fibre optique interurbaine
La figure 2 est un schéma de principe de l'application de l'amplificateur optique dans un système de communication par fibre optique interurbaine. (a) L'image montre que l'amplificateur optique est utilisé comme amplificateur de puissance de l'émetteur et comme préamplificateur du récepteur, ce qui double la distance sans relais. Par exemple, en adoptant l'EDFA, la transmission du système La distance de 1,8 Gb/s passe de 120 km à 250 km, voire 400 km. Les figures 2 (b) à (d) illustrent l'application des amplificateurs optiques dans les systèmes multi-relais ; la figure (b) illustre le mode relais 3R traditionnel ; la figure (c) illustre le mode relais mixte de répéteurs 3R et d'amplificateurs optiques ; la figure 2 (d) illustre un mode relais tout optique ; dans un système de communication tout optique, il n'inclut pas de circuits de synchronisation et de régénération, il est donc transparent au niveau des bits et ne présente aucune restriction de type « fibre de verre électronique ». Tant que l'équipement d'envoi et de réception aux deux extrémités est remplacé, il est facile de passer d'un débit faible à un débit élevé, et l'amplificateur optique n'a pas besoin d'être remplacé.
2) Application de l'amplificateur optique dans le réseau de distribution de fibres optiques
Les avantages de la puissance de sortie élevée des amplificateurs optiques (en particulier EDFA) sont très utiles dans les réseaux de distribution à large bande (tels queTélévision par câbleRéseaux). Le réseau CATV traditionnel utilise un câble coaxial, qui doit être amplifié tous les quelques centaines de mètres, et son rayon de couverture est d'environ 7 km. Le réseau CATV à fibre optique, utilisant des amplificateurs optiques, permet non seulement d'accroître considérablement le nombre d'utilisateurs répartis, mais aussi d'étendre considérablement le réseau. Les développements récents ont montré que la distribution de la fibre optique/hybride (HFC) exploite les atouts des deux technologies et offre une forte compétitivité.
La figure 4 illustre un réseau de distribution par fibre optique pour la modulation AM-VSB de 35 chaînes de télévision. La source lumineuse de l'émetteur est un DFB-LD d'une longueur d'onde de 1 550 nm et d'une puissance de sortie de 3,3 dBm. L'utilisation d'un amplificateur de distribution de puissance EDFA à 4 niveaux produit une puissance d'entrée d'environ -6 dBm et une puissance de sortie d'environ 13 dBm. La sensibilité du récepteur optique est de -9,2 dBm. Après 4 niveaux de distribution, le nombre total d'utilisateurs a atteint 4,2 millions et le réseau s'étend sur plus de plusieurs dizaines de kilomètres. Le rapport signal/bruit pondéré du test était supérieur à 45 dB, et l'EDFA n'a pas entraîné de réduction du CSO.
Date de publication : 23 avril 2023