Présentation sur les amplificateurs optiques SOA, EDFA, RAMAN

1. Génie des Systèmes de Télécommunications & Réseaux
Réalisé par: Encadré par:
MOUNIR Assia M. LAAZIZ Yassin
BENNANI Anas
LOUKILI Anouar
Année Universitaire
1
2009-2010

2. Plan Général
INTRODUCTION
GENERALITE SUR LES AMPLIFICATEURS OPTIQUES
AMPLIFICATEURS OPTIQUES:
SOA
EDFA
RAMAN
CONCLUSION
2

3. Introduction
Les télécommunications par Fibre optique se sont développées
principalement à deux longueurs d'ondes : 1,55 µm et 1,31 µm.
La première longueur d'onde étant la longueur d'onde de
moindre absorption des fibres optiques en silice et la seconde
correspond à une dispersion nulle dans ces fibres.
3

4. Introduction
Les amplificateurs à 1,31 µm encore peu employés dans les systèmes de
communications et les dispositifs existants reposent sur trois technologies :
les fibres dopées terre rare,
les amplificateurs à semi-conducteurs
les amplificateurs à effet Raman.
Les amplificateurs aux performances les plus intéressantes sont les
amplificateurs dopés terre rare et les amplificateurs à semi-conducteurs.
Le succès de l'utilisation de la longueur d'onde à 1,55 µm pour les
communications longues distances est en partie dû au développement d'un
amplificateur optique efficace : l'amplificateur EDFA.
4

5. Amplificateur
Quel est le rôle d'un amplificateur ?
L'amplificateur est inséré dans un système de télécoms optiques et fait
partie des moyens pour régénérer un signal optique.
Ce signal composé d'une porteuse modulée va être maltraité de diverses
manières au cours de sa propagation.
Pertes qui vont atténuer son intensité.
Dispersions qui vont modifier la forme de la modulation et de décaler chaque impulsion.
Pour corriger ces défauts générés au cours de la propagation, différents
systèmes existent comme le système <3R> qui consiste à réamplifier le
signal pour corriger les pertes, le remettre en forme et le synchronise.
5

6. Amplificateur
Convertisseur Convertisseur
Opt/Elect Elect/Opt
Amplification / Remise en forme
Les défauts de ce système sont multiples:
coûte cher en installation et en maintenance.
fonctionne à une seule longueur d'onde. ( non adapté au WDM)
Non transparent au codage utilisé.
Des régénérateurs 3R tout-optiques ont été développés dans les
laboratoires, mais pour le moment aucun système commercial n'a vu le jour.
6

7. Amplificateur
Lorsqu'une régénération complète n'est pas nécessaire et qu'une simple
amplification est suffisante, on utilise un amplificateur optique.
Un amplificateur optique réamplifie le signal sans transformation (Opt/Elect).
Cet amplificateur est donc transparent au codage utilisé et permet avec un
seul composant d'amplifier plusieurs longueurs d'ondes.
Mais il a le défaut de ne pas remettre en forme ni synchroniser le signal.
7

8. Fonctionnement d’un O.A
L'amplificateur optique fonctionne par émission stimulée à partir de l‘état
excité d'un atome ou d'un ion. Cet ion est pompé optiquement pour que ses
électrons passent d'un état fondamentale à un état dit métastable.
Le signal à amplifier génère alors une émission stimulée à partir de ce
niveau.
Les photons ainsi créés vont en générer de nouveaux par un effet
cascade, on peut atteindre un gain très important.
8

9. Paramètres caractéristiques
d’un Amplificateur Optique
Les paramètres les plus importants caractérisant un amplificateur sont
présentés comme suit :
Bande spectrale dans laquelle il y a du gain,
Gain (en dB),
Efficacité du gain : (rapport gain /puissance de pompe (en dB/mW)),
Puissance de saturation (puissance maximum de sortie de l'amplificateur),
Facteur de bruit,
Sensibilité du gain à la polarisation du signal,
Longueur d'onde de pompe,
Efficacité du couplage de la pompe et du signal,
Sensibilité aux fluctuations du signal (modulation) et de la pompe,
Diaphonie dans le cas de communications WDM.
9

10. AMPLIFICATEUR OPTIQUE A
SEMICONDUCTEUR
S.O.A
10

11. SOA: Présentation
Amplificateurs Optiques
Amplificateurs à effet Laser Amplificateurs à effet Raman
SOA EDFA
Les Amplificateurs Optiques à Semiconducteur sont apparurent pour
remédier à l’amplification optoélectronique (limitation débit <2Gb/s).
SOA est basé sur la technologie diodes laser Fabry-Perot.
Consiste en un medium amplificateur placé dans une cavité résonante
(type Fabry-Perot).
11

12. SOA: Structure
Couche dopée P
Région Active (non dopée)
Couche dopée N
12

13. SOA: Structure
La fonction d’amplification est accomplie par un pompage externe des niveaux d’énergie du matériau.
Afin de ne produire que la fonction amplification, il est nécessaire de protéger l’équipement contre
l’auto-oscillation générant l’effet laser.
Ceci se fait par blocage des réflexions de la cavité utilisant un revêtement anti réflexion (AR) et la
technique de cleaving angle des facettes des lamelles.
A la différence des amplificateurs optiquement pompés, les SOA sont pompés électriquement par
courant injecté. 13

14. SOA: Fonctionnement
Le principe du SOA est basé sur la création d’une inversion de population utilisée pour
l’amplification du signal optique d’entrée via émission stimulée.
Condition à satisfaire : Inverser la population du milieux.
Solution : L’inversion de population est réalisée par injection d’un courant électrique .
La bande de conduction et la bande de valence sont
séparées par un gap d’énergie Eg.
Le courant d’injection mène à générer des paires
électron-trous dans les bandes de conduction et de
valence respectivement.
Ainsi, la distribution dans chaque bandes peut être
décrite par deux niveaux quasi-fermi (notés Efc et Efv).
La position de ces niveaux est déterminée par le courant
d’injection (stimuler l’émission).
14

15. SOA: Fonctionnement
Le signal optique incident est injecté dans le guide (Semiconducteur) sans
qu’il ne subit de réflexion ( système anti -reflet ) puis couplé vers la fibre .
Un photon incident provoque l’émission stimulée  Naissance d’un deuxième photon de
même fréquence, de même phase et même direction.
Sans le photon incident  Emission spontanée de photon, constituent le bruit d'amplification.
L'ensemble des photons, subit une série d'amplifications. Les photons spontanés seront aussi
amplifiés.
15

16. SOA: Caractéristiques
Puissance de Saturation
Pout/Pin=Cte Psat G0=Cte Diminution Gain
Régime Petits Signaux
Le phénomène de saturation :
A partir d’une certaine puissance du signal d’entrée, la forte intensité de l’émission stimulée
entraîne une réduction de l’inversion de population, ce qui réduit le gain optique.
16

17. SOA: Caractéristiques
Sensibilité du Gain à la Polarisation
Se traduit par des gains différents pour les composantes transverse électrique (TE) et transverse
magnétique(TM).
Plus l’amplificateur est sensible à la polarisation de l’onde incidente, plus il ne pourra amplifier
que des signaux d’une polarisation donnée.
Des solutions ont été mise au point pour les amplificateurs SOA afin de diminuer la sensibilité à
la polarisation, telles que les techniques de puits quantiques.
TM TM
Couche dopée P
Région Active (non dopée)
Couche dopée N
TE
TE
17

18. SOA: Caractéristiques
Facteur de Bruit
Certains photons de l’émission spontanée se voient amplifié et se superpose au signal qui se
retrouve alors bruité.
On définit le facteur de bruit F dont la limite théorique est estimée à 3dB. (F=6dB pour SOA)
18

19. SOA: Caractéristiques
En Bref
Gain élevé (atteint 30 dB) suivant le type de SC, la longueur d'onde, le courant injecté et la
puissance du signal incident.
Bande Passante, de l'ordre de 5 THz (environ Δλ= 40 nm autour de λ= 1550 nm).
Pompage est électrique ,plus besoin de produire une lumière laser pour faire le pompage
optique
Psat >= 17 dBm.
C'est de loin le dispositif amplificateur le plus compact qui existe.
Pertes de couplage élevées, supériorité du diamètre du faisceau / l'épaisseur de la couche active.
Facteur de bruit >= 5-7 dB.
19

20. 20

21. EDFA : Présentation
Amplificateurs Optiques
Amplificateurs à effet Amplificateurs à effet
Laser Raman
SOA EDFA
Un amplificateur à fibre dopée Erbium consiste en une courte section de fibre optique
possédant une fraction de l'élément terre rare Erbium sous la forme d'ions Er3+.
L'amplification optique repose sur la possibilité d'amplification stimulée optique par
émission stimulée de lumière, grâce à un signal de pompe par laser.
21

22. EDFA : Définitions
L’élément Erbium
68
• Nombre atomique : 68
•
Er
Masse atomique: 167.259
• Densité : 9.07 g/cm 3
• Etat à température ambiante: Solide
Erbium • Classification: Métal
167.259 • Groupe: Lanthanide
• Nombre d’isotopes stables: 6
• Energie d’ionisation: 6.108 eV
• Etat d’oxydation: +3
• Famille: Terre rare
Seule terre rare active à des longueurs d'onde comprenant la bande C Télécom
(1530 nm- 1560 nm)
L’ion Erbium réagit comme un système à trois niveaux
22

23. EDFA :Définitions
Emission Stimulée de l’élément Erbium :
Les ions Er3+, insérés dans la matrice amorphe de silice, matériau constituant la fibre
optique, présentent un diagramme énergétique simplifié à trois niveaux
Niveau de pompe
Niveau métastable
Signal Amplifié
Les ions Erbium sont excités par les longueurs d’onde suivantes:
514nm, 532nm, 667nm, 980nm, 1480nm
 Du signal de pompe
23

24. EDFA : Structures
• Co-propagative
• Contra-propagative
• Bidirectionnelle
24

25. EDFA :Principe de fonctionnement
Le signal à amplifier est mélangé à un signal de pompe de forte puissance (de
10 à 200 mW typiquement) grâce à un multiplexeur de longueurs d'onde, et
le signal résultant est injecté dans la fibre dopée Er3+. Deux longueurs
d'ondes sont disponibles pour le signal de pompe : 980 nm ou 1480 nm.
Le signal de pompe provoque une inversion de population des ions Er3+ et le
milieu devient amplificateur vis-à-vis du signal optique d'entrée.
Lorsque l'émission stimulée domine, elle donne lieu à de l'amplification
optique. Cela dit, trois phénomènes coexistent toujours :
absorption, émission spontanée et émission stimulée.
25

26. EDFA: Caractéristiques
les caractéristiques techniques principales des EDFA sont les suivantes
• le gain de l'amplificateur (rapport en décibels (dB) de la puissance
de sortie sur la puissance en entrée) : de l’ordre de 20dB
en dB
26

27. EDFA: Caractéristiques
• le niveau de puissance de saturation PS du gain de
l'amplificateur, qui chiffre la puissance de sortie pour
laquelle le gain de l'amplificateur sature déjà :
typiquement 1 à 10 mW
• la bande spectrale d'amplification Δλ : typiquement
25 nm
• le facteur de bruit F, qui chiffre la dégradation du
rapport signal à bruit à la traversée de l'amplificateur
du fait de l'amplification de l'émission spontanée (ASE)
: typiquement 6 à 8 dB.
27

28. EDFA: Critères de choix
• La supériorité du gain
• puissance de saturation élevée
• faibles pertes d’insertion préférer les EDFA aux SOA
• réduction du facteur de bruit
Pour les systèmes de transmission
optique à grandes distances et à
débits élevés  EDFA
28

29. AMPLIFICATEUR A EFFET
RAMAN
29

30. Amplificateur Raman
L’amplification Raman est beaucoup plus ”douce”
que l’amplification par EDFA.
Fibre Dopée Erbium Amplification par effet Raman
30

31. Amplificateur Raman
L'effet Raman est un phénomène physique de diffusion moléculaire
de la lumière, mis en évidence expérimentalement en 1928 par le
physicien indien Chandrasekhara Venkata Raman, lauréat du prix
Nobel en 1930.
les atomes constituants de la matière sont en constante
vibration. Quand une lumière est envoyée sur un objet, elle va lui
fournir de l’énergie. Cette énergie va alors modifier la vibration des
liaisons chimiques entre les atomes.
C’est l’effet Raman.
31

32. Amplificateur Raman
Un amplificateur Raman doit plutôt être vu
comme un système dans lequel la pompe
permet de compenser les pertes dûes à la
fibre tout au long de la propagation du signal.
32

33. Amplificateur Raman
L’effet Raman Spontané (1928- Venkata RAMAN)
L’effet Raman Stimulé (1962 - R.W. HELLWARTH)
33

34. Amplificateur Raman
L’effet Raman Spontané
Cet effet existe par la simple présence de la
lumière du laser de pompe dans la fibre.
Il consomme une faible part de la puissance
fournie par le laser de pompe.
Il génère de la lumière à la longueur d’onde du
signal.
Cette lumière apparaît ”spontanément”, càd
indépendamment de la présence du signal.
34

35. Amplificateur Raman
L’effet Raman Spontané
Il ne s’agit pas d’un phénomène qui apporte à
l’amplification mais plutôt d’un effet parasite :
on parle d’émission spontanée
35

36. Amplificateur Raman
L’effet Raman Spontané
Niveaux d’Energie
Vibrationnels
Photon Photon Moins Changement de
Vibration des
Pompe Energétique Couleur (D)
molécules
Cette Nouvelle Couleur est à la Longueur d’Onde dite « Stokes »
Phénomène INEVITABLE dans l’Amplificateur Raman :
- Sans lui, l’Effet d’Amplification n’existerait pas
- MAIS c’est un Effet NON Désiré qui dégrade les performances
36

37. Amplificateur Raman
L’effet Raman stimulé
C’est l’effet recherché pour l’amplification optique.
Lorsqu'un atome se trouve au niveau excité E2
un photon incident d'énergie E2-E1 peut forcer
l'atome à revenir au niveau E1 .
L'atome émet alors un nouveau photon d’énergie
E2-E1.
un phénomène de “duplication de photons” à la
longueur d’onde du signal.
37

38. Amplificateur Raman
L’effet Raman stimulé
Si le Signal est à la Longueur d’Onde Stokes :
1 Photon Pompe 2 Photons Signal
+
+ 1 Photon Signal 1 Phonon
Duplication de
Photons
38

39. Amplificateur Raman
Caractéristiques
Pour les télécommunications
optiques usuelles à 1 550 nm, il
faut donc utiliser un laser pompe
autour de 1450 nm.
39

40. Conclusion
Domaines d’utilisation
Télécommunications à fibres optique
Applications métrologiques
La composition chimique d'un matériau
Certes, les amplificateurs optiques se
considèrent comme un facteur essentiel pour
l’amélioration des autoroutes de la lumière:
Fibres optiques.
40

41. Conclusion
Merci de votre attention
SOA
EDFA
RAMAN
41