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L'amplification optique et le multiplexage en longueur d'onde

Historique

L'amplification étant une fonction essentielle en transmission, d'importants efforts de recherche ont été consacrés à la mise au point d'amplificateurs optiques.

L'amplificateur à semiconducteurs, qui a fait l'objet de nombreux travaux depuis le début des années 1970, n'a pas connu beaucoup de développements en tant qu'amplificateur inséré dans un système de transmission, si l'on excepte quelques démonstrations dans la fenêtre de 1,3 μm, où il n'existe pas d'amplificateurs à fibre dopée industriellement disponibles. En revanche, ses caractéristiques lui offrent un large domaine d'utilisation pour tout ce qui touche au traitement optique du signal (multiplexage et démultiplexage, régénération, conversion de longueur d'onde...), la réalisation de ces fonctions mettant en œuvre des effets non linéaires (modulation croisée du gain, modulation de phase croisée) [cf. 4 Fonctions optiques].

L'amplificateur à fibre, apparu à la fin des années 1980, est rapidement passé au stade industriel : il constitue aujourd'hui un dispositif clé de tous les futurs réseaux de télécommunications optiques. Outre sa fiabilité, ses qualités reposent sur deux caractéristiques essentielles : d'une part, sa linéarité (au sens où sa constante de temps ne le rend sensible qu'à la puissance moyenne des signaux qui le traversent, ce qui évite toute distorsion de ces derniers), et, d'autre part, son bruit faible et voisin des limites théoriques.

L'amplificateur optique permet de dépasser la limite imposée par l'atténuation de la fibre, puisque la puissance envoyée en ligne peut être considérablement augmentée et que le signal peut être réamplifié au cours de sa propagation, au prix, il est vrai, de l'addition de bruit ; cette utilisation a conduit à la notion de système « amplifié ». L'amplificateur en ligne se substitue aux répéteurs-régénérateurs intermédiaires.

La bande passante importante des amplificateurs à fibre (plus de 30 nm) permet d'envisager l'amplification simultanée de plusieurs longueurs d'onde (porteuses optiques) juxtaposées dans le spectre, constituant ce qu'on appelle un multiplex. Ainsi naît le concept de multiplexage en longueur d'onde (W.D.M., pour wavelength division multiplexing), qui sera développé plus loin. Ensuite, utilisé devant le récepteur, l'amplificateur à fibre améliore considérablement la sensibilité du récepteur, en dépassant la limite imposée par le bruit thermique. C'est cette propriété qui a enlevé la plus grande partie de l'intérêt des recherches sur la réception cohérente.

Principe de l'amplificateur optique à fibre

Comme n'importe quel amplificateur, un amplificateur optique absorbe l'énergie fournie par une source extérieure appelée pompe et la restitue au signal pour l'amplifier.

Les amplificateurs à fibre disponibles commercialement fonctionnent dans la fenêtre de transmission à la longueur d'onde de 1 550 nm. Un de leurs avantages est la simplicité du dispositif (fig. 5). Ils se composent pour l'essentiel d'une fibre de quelques mètres de longueur, dopée avec des ions appropriés et connectée à la fibre de ligne, d'une pompe (dans la plupart des cas, un laser à semiconducteur) et d'un dispositif de couplage de la lumière de la pompe vers la fibre dopée (le multiplexeur). Il est habituel d'ajouter deux isolateurs – l'un en entrée, l'autre en sortie –, qui ne laissent passer la lumière que dans un seul sens, afin d'éviter toutes les réflexions qui pourraient créer une cavité, faire osciller le dispositif et le transformer en laser (cf. lasers).

Amplificateur optique à fibre

Dessin : Amplificateur optique à fibre

Schéma d'un amplificateur optique à fibre qui amplifie la lumière grâce au mécanisme d'émission stimulée lié aux éléments dopants de la fibre. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Un amplificateur optique à fibre amplifie la lumière grâce au mécanisme d'émission stimulée lié aux éléments dopants de la fibre dont les plus utilisés sont les ions erbium. Ce mécanisme d'émission stimulée peut être décrit de la façon suivante : si un photon incident interagit avec un ion, un effet de résonance produit la redescente de l'ion dans son état fondamental avec émission d'un photon identique au précédent, qui s'ajoute à ceux du signal et vient donc l'amplifier.

Le spectre du gain dépend très fortement de la conception de l'amplificateur (longueur de la fibre dopée) et de son point de fonctionnement (puissance de la pompe et du signal). Ainsi, pour une utilisation dans un système à multiplexage en longueur d'onde, un amplificateur possède un point de fonctionnement optimal : celui pour lequel son gain est constant en fonction de la longueur d'onde (gain plat).

La largeur de la bande de gain dépen [...]

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Fibres optiques

Fibres optiques
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Structure d'une fibre optique et profils d'indice

Structure d'une fibre optique et profils d'indice
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Atténuation d'une fibre optique

Atténuation d'une fibre optique
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Impact de la dispersion chromatique sur une impulsion

Impact de la dispersion chromatique sur une impulsion
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Écrit par :

  • : ingénieur de l'École nationale supérieure de Caen, habilitée à diriger des recherches
  • : ingénieur des télécommunications

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Pour citer l’article

Irène JOINDOT, Michel JOINDOT, « TÉLÉCOMMUNICATIONS - Technologies optiques », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 20 mai 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/telecommunications-technologies-optiques/