1. Classification deFiberAamplificateurs
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 linéaires, principalement les amplificateurs Raman à fibre (FRA, Fiber Raman Amplifier). Le tableau ci-dessous compare les principales performances de ces amplificateurs optiques.
EDFA (Amplificateur à fibre dopée à l'erbium)
Un système laser multiniveaux peut être réalisé en dopant la fibre de quartz avec des terres rares (comme le Nd, l'Er, le Pr, le Tm, etc.). Le signal d'entrée est alors directement amplifié par la lumière de pompe. Après une rétroaction appropriée, un laser à fibre est ainsi formé. L'amplificateur à fibre dopée au Nd fonctionne à 1060 nm et 1330 nm, mais son développement et ses applications sont limités par son écart par rapport à la plage de fréquences optimale pour les communications par fibre optique, entre autres raisons. Les amplificateurs EDFA et PDFA fonctionnent respectivement dans la fenêtre de pertes minimales (1550 nm) et la fenêtre de dispersion nulle (1300 nm) des communications par fibre optique, tandis que l'amplificateur TDFA fonctionne en bande S. Ces amplificateurs sont donc parfaitement adaptés aux applications des systèmes de communication par fibre optique. L'EDFA, en particulier, a connu le développement le plus rapide et est désormais largement utilisé.
LePPrincipe de l'EDFA
La structure de base d'un EDFA est illustrée sur la figure 1(a). Elle se compose principalement d'un milieu actif (fibre de silice dopée à l'erbium d'une longueur de plusieurs dizaines de mètres, avec un diamètre de cœur de 3 à 5 microns et une concentration de dopage de (25-1000) × 10⁻⁶), d'une source de lumière de pompage (diode laser 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 la lumière de signal et la lumière de pompe sont injectées simultanément dans la fibre d'erbium, les ions d'erbium sont excités à un niveau d'énergie élevé sous l'action de la lumière de pompe (figure 1(b), système à trois niveaux), puis se désexcitent rapidement vers un niveau d'énergie métastable. Lorsqu'ils retournent à leur état fondamental sous l'action de la lumière de signal incidente, ils émettent des photons correspondant à cette lumière, amplifiant ainsi le signal. La figure 1(c) représente le spectre d'émission spontanée amplifiée (ESA) 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, un rendement de pompage élevé, une faible perte d'insertion et une insensibilité à l'état de polarisation.
2. Problèmes liés aux 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 additionnel 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 multicanaux ;
- Lorsque des amplificateurs optiques sont mis en cascade, les effets du bruit ASE, de la dispersion de la fibre et des effets non linéaires s'accumulent.
Ces points doivent être pris en compte lors de 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 optiqueIl peut être utilisé non seulement comme amplificateur de puissance de l'émetteur pour augmenter la puissance de transmission, mais aussi comme préamplificateur du récepteur pour améliorer la sensibilité de réception, et peut également remplacer le répéteur optique-électrique-optique traditionnel, afin d'étendre la distance de transmission et de réaliser une communication entièrement optique.
Dans les systèmes de communication par fibre optique, les principaux facteurs limitant la distance de transmission sont les pertes et la dispersion de la fibre. L'utilisation d'une source lumineuse à spectre étroit, ou un fonctionnement proche de la longueur d'onde de dispersion nulle, réduit l'influence de la dispersion de la fibre. 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 à l'aide d'un amplificateur optique (relais 1R). Les amplificateurs optiques peuvent être utilisés non seulement dans les liaisons longue distance, mais aussi dans les réseaux de distribution par fibre optique, notamment dans les systèmes WDM, pour amplifier simultanément plusieurs canaux.
1) Application des amplificateurs optiques dans les systèmes de communication par fibre optique à liaison principale
La figure 2 est un schéma d'application de l'amplificateur optique dans un système de communication par fibre optique principal. (a) L'image montre que l'amplificateur optique est utilisé comme amplificateur de puissance pour l'émetteur et comme préamplificateur pour le récepteur, ce qui permet de doubler la portée sans relais. Par exemple, avec un amplificateur à fibre dopée à l'erbium (EDFA), la transmission du système est optimisée. La portée de 1,8 Gbit/s passe de 120 km à 250 km, voire 400 km. Les figures 2 (b) à (d) illustrent l'application d'amplificateurs optiques dans les systèmes multi-relais. La figure (b) représente le mode relais 3R traditionnel. La figure (c) illustre le mode relais mixte, combinant répéteurs 3R et amplificateurs optiques. La figure 2 (d) représente un mode relais tout optique. Dans un système de communication tout optique, l'absence de circuits de synchronisation et de régénération garantit une transparence des bits et élimine les limitations liées à l'effet « bouffée de bouteille électronique ». Le passage d'un faible débit à un débit élevé est aisé, à condition de remplacer les équipements d'émission et de réception aux deux extrémités, sans nécessiter le remplacement de l'amplificateur optique.
2) Application de l'amplificateur optique dans un réseau de distribution par fibre optique
Les avantages liés à la puissance de sortie élevée des amplificateurs optiques (en particulier les EDFA) sont très utiles dans les réseaux de distribution à large bande (tels que lesCATVRéseaux). Le réseau CATV traditionnel utilise un câble coaxial, nécessitant une amplification tous les quelques centaines de mètres, et sa portée 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 significativement la portée du réseau. Les développements récents ont démontré que la distribution hybride fibre optique/HFC (fibre optique/hybride) combine les avantages des deux technologies et présente une forte compétitivité.
La figure 4 illustre un exemple de réseau de distribution par fibre optique pour la modulation AM-VSB de 35 chaînes de télévision. L'émetteur utilise une diode laser DFB (DFB-LD) d'une longueur d'onde de 1550 nm et d'une puissance de sortie de 3,3 dBm. Un amplificateur de distribution de puissance à fibre dopée à l'erbium (EDFA) à quatre niveaux est utilisé. Sa puissance d'entrée est d'environ -6 dBm et sa puissance de sortie d'environ 13 dBm. La sensibilité du récepteur optique est de -9,2 dBm. Après distribution sur quatre niveaux, le réseau dessert 4,2 millions d'utilisateurs sur une longueur de plusieurs dizaines de kilomètres. Le rapport signal/bruit pondéré mesuré était supérieur à 45 dB, et l'EDFA n'a pas entraîné de réduction du signal.
Date de publication : 23 avril 2023