les amplificateurs optiques

Universite Ibn-ZohrFaculte des Sciences d’Agadir

Bella Mostafa, Ben dadda Younes,Hanna Ali,

1 Encadre par :Pr.D. MGHARAZ

Table des figures

1.1 un gros faisceau de cables equivalents a Une seule fibre optique . . . . . . . 81.2 Les longueurs d’onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.3 une fibre optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.4 le fonctionnement d’une fibre optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.5 la reflexion totale.[1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.6 l’attenuation d’un signal optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.7 un module optoelectronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.8 l’emission stimulee.[2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.9 L’amplificateur optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.10 photographie d’un modele (EDFA) existant avec ses caracteristiques.[11] . 121.11 Amplificateurs a semi-conducteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.12 Amplificateurs a fibres optiques utilisant l’effet RAMAN . . . . . . . . . . 131.13 Amplificateurs a fibres optiques utilisant l’effet RAMAN.[4] . . . . . . . . . 14

2.1 structure de base d’un amplificateur optique a semi-conducteurs. L, d et wsont respectivement la longueur, l’epaisseur et la largeur de la zone active. 15

2.2 Reduction de la reflectivite dans un SOA par (a) un traitement antirefletet (b) une inclination de sa zone active..[3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.3 les materiaux d’un SOA selon leurs dimensions.[5] . . . . . . . . . . . . . . 172.4 Un systeme amplifie periodiquement par M amplificateurs en cascade. Gi

et Fi representent respectivement le gain optique et le facteur de bruit del’amplificateur i.[3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.5 Schema d’un Amplificateurs optiques a fibre dopee a l’ERBIUM (EDFA).[6] 192.6 les trois interactions lumiere.[7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.7 L’absorption.[6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.8 l’emission spontanee.[6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.9 l’emission stimulee.[6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.10 spectre de gain d’un EDFA pour diverses puissances de signal incident.[8] 222.11 diffusion raman.[9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.12 diffusion raman.[10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.13 diffusion raman.[10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.14 diffusion raman.[10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.15 diffusion raman.[4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.16 diffusion raman[10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.1 Applications de base d’un SOA dans les systemes de telecommunicationsoptiques selon sa position dans la liaison.[3] . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.2 Amplificateur de puissance.[3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.3 Pre-amplificateur.[3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2


3.4 Les Amplificateurs en ligne.[3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.5 la telecommunication : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.6 multiplexage [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29



Table des matieres

1 Generalites sur Les amplificateurs optiques 71.1 Histoire des transmissions optiques : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2 La fibre optique : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2.1 Definition : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2.2 Pour quoi il faut utiliser les fibres optiques ? . . . . . . . . . . . . . 71.2.3 Les longueurs d’onde utilisees pour la fibre optique : . . . . . . . . . 81.2.4 Les composants d’une fibre optique : . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.2.5 Comment les informations se envoye dans une fibre optique ? . . . . 91.2.6 Le principe du fonctionnement d’une fibre optique : . . . . . . . . . 9

1.3 La transmission du signal a une grande distance : . . . . . . . . . . . . . . 101.4 L’amplificateur optique : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.4.1 Definition : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.4.2 Parametres caracteristiques d’un amplificateur Optique : . . . . . . 11

1.5 Les types des amplificateurs optiques : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.5.1 Amplificateurs optiques a fibre dopee a l’ERBIUM (EDFA) : . . . . 121.5.2 Amplificateurs a semi-conducteurs : . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.5.3 Amplificateurs a fibres optiques utilisant l’effet RAMAN . . . . . . 13

2 Physique des amplificateurs optiques 152.1 Physique des Amplificateurs optiques a semi-conducteurs : . . . . . . . . . 15

2.1.1 La structure de base d’un SOA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.1.2 les deux structures utilisant pour avoir une reflectivite negligeable . 162.1.3 propriete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.1.4 Les types de SOA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.1.5 Emission spontanee amplifiee (ASE) . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.1.6 le facteur de bruit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.1.7 le probleme du bruit Dans les SOA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.2 Physique des Amplificateurs optiques a fibre dopee a l’ERBIUM : . . . . . 182.2.1 la structure de l’Amplificateurs optiques a fibre dopee a l’ERBIUM

(EDFA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.2.2 le principe de fonctionnent d’un amplification optique par fibre

dopee l’ERBUIM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2.3 Commentaires a propos des Amplificateurs EDFA : . . . . . . . . . 21

2.3 Physique des Amplificateurs optiques Raman . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.3.1 l’effet Raman (diffusion raman) : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.3.2 La diffusion Raman stimulee : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.3.3 Commentaires a propos des Amplificateurs Raman : . . . . . . . . . 25

4


3 Application des amplificateurs optiques 263.1 Applications systemes des SOA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.1.1 Amplificateur de puissance (booster) : . . . . . . . . . . . . . . . . 273.1.2 Pre-amplificateur : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.1.3 Les Amplificateurs en ligne : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.2 Applications systemes de l’EDFA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.3 Les Applications des amplificateurs optiques aux multiplexage(wdm) . . . 29



INTRODUCTION

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La communication optique il a un grand roule dans le developpement de latelecommunication humaine, car il permit de transmettre un grande nombre d’informa-tion pondant une duree tres Courte par rapport aux autres technologies.

Cette communication est base sur La transmission de signal lumineux ont utilisentdes fibres optiques, mais le probleme ses que le signal sera s’attenue si on a une grandedistance, donc on utilise des amplificateurs optiques pour amplifie ce signal jusque qu’ilarrive a sa point final (le recepteur).

Dans le premier chapitre on va commencer par l’Histoire des transmissions optiques,on va parler un peu sur la fibre optique, ca definition, leur composant, Le principe du fonc-tionnement, et d’autres petits details, apres on va commencer a parle sur des Generalitesdes amplificateurs optiques, sur l’emission stimulee, les Parametres caracteristiques et leurUtilisations et on finira par les trois types des amplificateurs optiques : Amplificateurs afibres optiques dopees a l’Erbium, Amplificateurs a semi-conducteurs et Amplificateurs afibres optiques utilisant l’effet RAMAN.

Dans la deuxieme chapitre on commencer a parle sur les details de chaque types desamplificateurs optiques, pour l’Amplificateurs a semi-conducteurs on va leur parle sur castructure de base, les deux techniques utilisant pour avoir une reflectivite negligeable,leur types, et sont probleme du bruit, pour l’Amplificateurs a fibres optiques dopees al’Erbium on va leur parle sur ca structure, leur principe de fonctionnent, et finalementpour l’Amplificateurs a fibres optiques utilisant l’effet RAMAN on va parler sur leur fonc-tionnement et on finira par quelque Commentaires sur ce Amplificateur RAMAN.

Pour la troisieme et la dernier chapitre on va parle sur quelque application de ces typesdes amplificateurs optiques.

on finira apres par une Conclusion et les perspectives de developpement de ces typesdes Amplificateurs optiques dans les annees a venir.

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Chapitre 1

Generalites sur Les amplificateursoptiques

1.1 Histoire des transmissions optiques :

Des l’annee 1970 les premieres fibres optiques sont developpees, et dans la memeepoque on a l’apparition des premieres diodes laser, en 1977 le premier systeme de com-munication experimentale est construit en Angleterre, Deux annees plus tard il y avaitdeja un produit commercial avec beaucoup de succes, apres en 1995 on a L’invention dupremier amplificateur optique qui a ete un repeteur � tout optique � en 2001 le cabletransatlantique qui relie la Grande-Bretagne, l’Allemagne et la France aux Etats-Unisavec une capacite de 5,12 Terabit/s est mise en service, plus tard en 2010 Des physiciensont transforme un laser Tera hertz en amplificateur par l’adjonction d’un commutateurultrarapide.

1.2 La fibre optique :

1.2.1 Definition :

Une fibre optique est un fil tres fin en verre ou en plastique qui a la propriete deconduire la lumiere, et sert dans les transmissions des donnees avec une perte minime, cestransmissions peut etre terrestres ou oceaniques.

Remarque

La fibre plastique est limite dons sont utilisation, en l’utilise juste pour (l’eclairage etdes liaisons tres courte distance),par contre la fibre de verre il a la possibilite de trans-mettre le signal a une tres grand distance

1.2.2 Pour quoi il faut utiliser les fibres optiques ?

Il faut utiliser les fibres optiques tout simplement Car ils sont les plus rapide par-apport aux autres technologies.

7


En plus de sa Une seule fibre optique peut transmettre autant d’information qu’ungros faisceau de cables.

Figure 1.1 – un gros faisceau de cables equivalents a Une seule fibre optique

1.2.3 Les longueurs d’onde utilisees pour la fibre optique :

Pour les telecommunications en Fibre optique on utilisees generalement deux longueursd’ondes :1, 55µm et1, 31µm (situees dans le Domene d’infrarouge)

Figure 1.2 – Les longueurs d’onde

1.2.4 Les composants d’une fibre optique :

La fibre optique est composee de deux cylindres transparents. Le cylindre interieurs’appelle cœur et l’exterieur s’appelle gaine. Ces deux cylindres sont proteges par unrevetement

Figure 1.3 – une fibre optique




1.2.5 Comment les informations se envoye dans une fibre op-tique ?

Les informations se envoye dons les fibres optiques comme des 0 et des 1 (l’intensitemax = 1 ; l’intensite min = 0)

1.2.6 Le principe du fonctionnement d’une fibre optique :

Figure 1.4 – le fonctionnement d’une fibre optique

Pour que La lumiere reste a l’interieure du cœur d’une fibre optique, il faut que sederniere soit plus refringent (indice plus grand) que la gaine optique (indice plus pe-tit), en plus de ca, pour avoir une reflexion totale, l’angle des rayons incident doits etresuperieure a l’angle critique � l’ � situe dont le figure ci-dessous, et qui a pour expression :

l′ = sin−1(n1÷ n2) avec n1 > n2

Figure 1.5 – la reflexion totale.[1]




1.3 La transmission du signal a une grande distance :

Pour transmettre un signal a une grande distance, le signal sera s’attenue en raisondes pertes lors de la propagation.

Figure 1.6 – l’attenuation d’un signal optique

Pour resoudre ce probleme on utilise des amplificateurs (a chaque 50km par exemple)pour augmenter la puissance du signal optique.

A l’epoque ce probleme est resoudre par un module optoelectronique constitue d’unsysteme recepteur optique transferait le signal vers le domaine electrique, un amplificateurqui amplifier le signal transmettre et un emetteur optique qui repassait les donnees dansle domaine optique (optique ⇒ electrique ⇒ optique).

Figure 1.7 – un module optoelectronique

au jour duit L’invention des amplificateurs optiques permet d’amplifier de tels signauxsans aucune conversion (amplification est tout optique).

Le principe de fonctionnement d’un amplificateur optique est base sur l’emission sti-mulee, c’est-a-dire que lorsqu’on a un atome ou un ion a l’etat excite, ce derniere va etrepompe optiquement, par consequence ses electrons excite passent au niveau fondamentald’energie, ce qui fait que cet electron peut faire une collisionne avec un photon, et sousl’impact de ce photon cet electron ceder son energie. Cette perte d’energie donne lieu aun nouveau photon. Ensuite les photons ainsi crees vont en generer de nouveaux par uneffet cascade.




Figure 1.8 – l’emission stimulee.[2]

1.4 L’amplificateur optique :

1.4.1 Definition :

• Au cours de sa propagation dans une fibre le signal optique va subir des pertes quivont reduit la puissance moyenne recue au niveau du recepteur.

• L’introduction des amplificateurs optiques dans de tels systemes permet de retablirle niveau de puissance du signal sans aucune transformation (Opt/Elect).

• Donc L’amplificateur optique est un dispositif qui assure l’amplification du signaltout en restant dans le domaine optique.

Figure 1.9 – L’amplificateur optique

1.4.2 Parametres caracteristiques d’un amplificateur Optique :

Les parametres les plus importants caracterisant un amplificateur optique sont :

• le gain (en dB) : le rapport entre la puissance en sortie d’amplificateur Pout et lapuissance en entree Pin (G=Pout/Pin).

• la bande spectrale : L’intervalle des longueurs d’onde dans laquelle il y a du gain.




• la puissance de saturation : puissance maximum de sortie de l’amplificateur.

• le facteur de bruit : designe la qualite d’une transmission d’information par rapportaux parasites.

• l’efficacite du gain (dB/mW) : c’est-a-dire le rapport entre le gain et la puissance depompe.

1.5 Les types des amplificateurs optiques :

• Il y’a plusieurs types d’amplificateurs optique :

→ Amplificateurs a fibres optiques dopees a l’Erbium.

→ Amplificateurs a semi-conducteurs.

→ Amplificateurs a fibres optiques utilisant l’effet RAMAN.

1.5.1 Amplificateurs optiques a fibre dopee a l’ERBIUM (EDFA) :

les Amplificateurs optiques a fibre dopee a l’ERBIUM (EDFA) sont les dispositifs lesplus utilises pour l’amplification des signaux lumineux.

Figure 1.10 – photographie d’un modele (EDFA) existant avec ses caracteristiques.[11]

- Les caracteristiques des amplificateurs optiques a fibre dopee a l’ERBIUM(EDFA) :

- ils ont un gain assez eleve > ou = 20 dB.

-une puissance de sortie eleves de 4W.

-un facteur de bruit de 3,5 dB.

-une bande passante ≥ a 30 nm.




1.5.2 Amplificateurs a semi-conducteurs :

Figure 1.11 – Amplificateurs a semi-conducteurs

Un SOA est un dispositif optoelectronique qui permis d’amplifier un signal lumineuxincident.

Voici les principaux avantages et inconvenients des amplificateurs a semi-conducteurs :

-ils ont un gain assez eleve (20-30 dB)

-leur puissance de saturation varie entre 5 et 20 dBm

-ils ont une grande bande passante

-facteur de bruit ≥ (5 dB)

1.5.3 Amplificateurs a fibres optiques utilisant l’effet RAMAN

Figure 1.12 – Amplificateurs a fibres optiques utilisant l’effet RAMAN

Les amplificateurs RAMAN n’utilisent pas les transitions atomiques d’ions dopes terresrares dans les fibres mais se basent sur un echange d’energie par diffusion RAMAN




Figure 1.13 – Amplificateurs a fibres optiques utilisant l’effet RAMAN.[4]

Les caracteristiques des amplificateurs optiques utilisant l’effet RAMAN

-un gain de 20 dB

-un facteur de bruit de 6 dB

-une puissance en entree de 8 mW

-une puissance de pompe de 1.5W



Chapitre 2

Physique des amplificateurs optiques

2.1 Physique des Amplificateurs optiques a semi-conducteurs :

2.1.1 La structure de base d’un SOA

Un Amplificateur optique a semi-conducteurs (SOA) est un dispositif optoelectroniquequi permit d’amplifier un signal lumineux. dans le figure ci-dessous on a represente la struc-ture de base d’un SOA, l’element le plus interessant dons cette base est la region active, quinous permet de fournit le gain optique lorsque l’amplificateur est pompe electriquement.Ce pompage bien-sur donner par consequent l’emission stimulee. On a aussi un autrecomposant qu’il est important ces le guide d’onde qui nous permet de garder l’onde designal a la region active.

Figure 2.1 – structure de base d’un amplificateur optique a semi-conducteurs. L, d et wsont respectivement la longueur, l’epaisseur et la largeur de la zone active.

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2.1.2 les deux structures utilisant pour avoir une reflectivitenegligeable

Pour eviter la reflectivite dans un SOA il existe deux techniques pour le faire, lapremiere ces d’utilise Des couches antireflets, et la deuxieme ces don laquelle on inclineela facette tell que la region active est inclinee par rapport a la perpendiculaire. Mais cesdeux techniques sont valable pour Une reflectivite inferieure a 10−5, malgre ca ces deuxtechniques sont le plus utilise, et le figure ci-dessous montre ces deux structures.

Figure 2.2 – Reduction de la reflectivite dans un SOA par (a) un traitement antirefletet (b) une inclination de sa zone active..[3]

2.1.3 propriete

↪→ Les caracteristiques operationnelles et le spectre de gain d’un SOA correspondentau type de materiau utilise dans la region active.

↪→ dons les SOA ont utilises generalement deux longueurs d’ondes :1, 55µm et 1, 31µm.

Remarque

Les SOA sont fabriques par les memes materiaux utilises pour fabriquer des sourceslaser.

2.1.4 Les types de SOA

La figure ci-dessous represente les materiaux d’un SOA selon leurs dimensions.Les types de SOA sont :SOA a multi-puits quantiques (MQW-SOA), SOA a fils quantiques (QDash-SOA) et SOAa boıtes quantique (QD-SOA), ces 3 types sont Les SOA a materiaux quantiques.On a d’autres types de SOA, un SOA massifs qu’il a une bande-passante optique moinslarge, une puissance de saturation moins elevee et une dependance a la polarisation moinsforte par rapport aux SOA a materiaux quantiques. L’autre SOA est le SOA reflectif(RSOA), se derniere il a la meme structure Qu’un SOA classique la seule difference sesque le une des facettes est antireflet et l’autre est traitee en haute reflectivite. Donc Lessignaux optiques entrent et sortent par la meme facette.




Figure 2.3 – les materiaux d’un SOA selon leurs dimensions.[5]

2.1.5 Emission spontanee amplifiee (ASE)

L’emission spontanee amplifiee (ASE) est un phenomene du aux recombinaisons spon-tanees tel que les photons s’emettent en tout point de la zone active d’une maniere in-coherente. Ce qui donne une source de bruit large bande. La puissance de l’emissionspontanee amplifiee de l’amplificateur peut etre donnee par la relation suivant :

PASE = nsp.hν(G− 1).B0

Ou :

- G : est le gain a la frequence optique ν.

- B0 : represente la bande passante optique du filtre utilise pour determiner la puis-sance de bruit.

- h : represente la constante de Planck.

- Le facteur d’inversion de population nsp depend des populations relatives N1 et N2des etats stable et excite suivant la relation :

nsp = N2÷ (N2−N1)

- Le gain G est defini comme le rapport entre la puissance en sortie d’amplificateurPout et la puissance en entree Pin :

G = Pout ÷ Pin

2.1.6 le facteur de bruit

Cependant, Le bruit d’emission spontanee amplifiee s’ajoute au signal amplifie a lasortie. Son effet sur le systeme est determine par un terme nomme facteur de bruit. Cefacteur est donne par la relation suivant :

F = (S/N)in/(S/N)out




2.1.7 le probleme du bruit Dans les SOA

Le probleme pour les Amplificateurs optique a semi-conducteurs ses qu’ils ajoutent dubruit meme si qu’ils resolvent le probleme des pertes, ce bruit sera degrade lorsqu’on a donsUn systeme amplifie periodiquement par M amplificateurs en cascade et par consequenten va avoir un facteur de bruit finale appelee le facteur de bruit total Ftot, ce qu’est donnepar la relation suivant :

ou αf,i est l’attenuation de la i-ieme fibre optique.

Figure 2.4 – Un systeme amplifie periodiquement par M amplificateurs en cascade. Giet Fi representent respectivement le gain optique et le facteur de bruit de l’amplificateuri.[3]

2.2 Physique des Amplificateurs optiques a fibre dopee

a l’ERBIUM :

2.2.1 la structure de l’Amplificateurs optiques a fibre dopee al’ERBIUM (EDFA)

dans la La figure ci-dessous on a represente les composants d’un Amplificateurs op-tiques a fibre dopee a l’ERBIUM Tel que :

−→Les multiplexeurs optiques realisent un multiplexage en longueur d’onde, c’est adire, la sortie du multiplexeur sera la somme deλs etλp.

−→Un isolateur est place en sortie sert a empecher l’amplification d’un signal qui ar-riverait en sens inverse dans la fibre.




−→On trouve deux autres isolateurs place en entree, l’un en aval de la source de signal,l’autre en aval de la pompe pour proteger les sources de pompe et de signal d’un retourde lumiere et eviter ainsi leur deterioration.

−→Une pompe (en generale fournie par une diode).

−→Un fibre optique dopee l’ERBUIM qui fait l’amplification optique.

Figure 2.5 – Schema d’un Amplificateurs optiques a fibre dopee a l’ERBIUM (EDFA).[6]

Donc c’est quoi le principe de l’amplification optique par fibre dopee l’ERBUIM ?

2.2.2 le principe de fonctionnent d’un amplification optique parfibre dopee l’ERBUIM

Lorsqu’un atome est soumis a une onde lumineuse dans la fibre optique dopee l’ER-BUIM, trois interactions lumiere peuvent se produire :

l’absorption , l’emission spontanee et l’emission stimulee.

Figure 2.6 – les trois interactions lumiere.[7]




l’absorption : Lorsqu’un atome est soumis a une onde lumineuse l’un des ion peutabsorber un photon et faire passer ses electrons a un etat fonamental E1 vers un etatexcite E2.

Figure 2.7 – L’absorption.[6]

l’ecart energetique E2-E1 correspondant a l’energie E du photon∆E = E2− E1 = hν

avech :constante de Planck

ν : la frequence d’emission du photon

l’emission spontanee : L’atome Initialement dans un etat electronique stable d’energieE1, passe alors dans un etat electronique excite d’energie (E2 > E1), et cette derniere etatn’est pas stable . Plus ou moins vite ,l’ion revient a l’etat fondamental avec un emissiond’un photon La polarisation et la du photon emis sont aleatoires,mais son energie direc-tion est ∆E = E2− E1 = hν .

Figure 2.8 – l’emission spontanee.[6]




La variation de population des ions entre les niveaux d’energie E1 et E2 peut s’ecrire :

ou :

(A)21 :Est le coefficient d’Einstein qui correspond a la probabilite d’emission spontaneepar unite de temps.

Il s’exprime en s−1et il est inversement proportionnel a la duree de vie radiative duniveau d’energie A12 = 1/τ .

l’emission stimulee : c’est la derniere phenomene que nous interesse : un electron excitepeut sous l’impact d’un photon ceder son energie , cette perte d’energie donne lieu a unnouveaux photon ayant les meme caracteristiques que le photon incident la meme (phase, direction et longueur d’onde) Cependant, cela n’est possible que lorsque l’energie de cephoton est � resonnante � c’est-a-dire queE = hν Ce phenomene, qui permet d’amplifierune onde lumineuse, est a la base du fonctionnement des amplificateurs a fibres dopeesaux terres rares.

Figure 2.9 – l’emission stimulee.[6]

2.2.3 Commentaires a propos des Amplificateurs EDFA :

→ si l’on augmente la puissance de signal incidente le gain diminue.

→ bande de frequence plus large.

→ la bande spectral d’amplification ∆λ :typiquement 25 nm.




Figure 2.10 – spectre de gain d’un EDFA pour diverses puissances de signal incident.[8]

2.3 Physique des Amplificateurs optiques Raman

l’amplification dans un Amplificateurs a effet raman ne repose pas sur une emissionstimulee comme EDFA et SOA mais sur l’utilisation d’un phenomene non-lineaires appeleL’effet Raman ou bien diffusion raman.

2.3.1 l’effet Raman (diffusion raman) :

L’effet Raman est un effet non-lineaires. Il s’agit d’une interaction photon-phonon,entre une onde optique et les vibrations des molecules du materiau dans lequel l’ondeoptique se propage, c’est-a-dire d’echange d’energie entre l’onde optique et les vibrationsdu materiau.

Il y a plusieurs types des diffusions de la lumiere :

⇒ La diffusion raman stockes : si le photon diffuse est a plus faible energie que lephoton incident.

⇒ La diffusion raman anti-stockes : si le photon diffuse est a plus grande energie quele photon incident.

⇒ la diffusion de Rayleigh : si le photon diffuse est a meme energie que le photonincident.




Figure 2.11 – diffusion raman.[9]

2.3.2 La diffusion Raman stimulee :

L’amplificateur optique a effet Raman est fonctionne par un phenomene appele diffu-sion Raman stimulee, La diffusion Raman stimulee est un phenomene resonant d’optiquenon lineaire dans les fibres optiques qui necessite une puissance de pompe tres importantes.

Le principe general de fonctionnement de ce amplificateur est :

L’interaction entre le photon de pompe d’energie E’ et les vibrations des molecules dela fibre optique va creer un autre photon d’energie correspondants au signal a amplifierEn avecEn < E ′ c’est La diffusion Raman stockes. La difference d’energie entre les deuxphotons va liberer sous forme des phonons qui vont dispure dans la fibre.






Les photons ainsi crees vont en generer de nouveaux par un phenomene de “duplicationde photons”, jusqu’a on peut atteindre un gain tres important.


• En resume le principe generale de cette amplification est bases sur la diffusioninelastique de la forte puissance du signal de pompe creant ainsi des photons d’energie cor-respondants au signal a amplifier et des vibrations (phonons) dans la fibre de propagation.

Donc Un amplificateur raman peut etre vu comme un systeme dans lequel la pompepermet de compenser les pertes dues a la fibre tout au long de la propagation du signal.





2.3.3 Commentaires a propos des Amplificateurs Raman :

⇒ La position de gain maximum de l’amplificateur est fixee par la longueur d’ondede pompe toujours decalee de -100 nm de longeur d’onde.

⇒ la largeur de la Bande Passante de gain est ∆λ ≈ 40nm.

⇒ La longueur d’onde de pompe est plus petite que la longueur d’onde du signal aamplifier.

⇒ La puissance de pompe est plus grande que le gain maximum de l’amplificateur.

Figure 2.16 – diffusion raman[10]



Chapitre 3

Application des amplificateursoptiques

3.1 Applications systemes des SOA

Dans un systeme de communication optique, l’Amplificateur optique a semi-conducteurpeut etre utilise Selon sa position sur la fibre optique comme amplificateur de puissance(booster), qu’il augmenter la puissance du rayonnement laser emetteur, ou comme amplifi-cateur en ligne qui remplacer les pertes de transmission, ou aussi comme preamplificateurpour ameliorer la sensibilite du recepteur.

Dans Le figure ci-dessous on a representees Ces 3 types des applications.

Figure 3.1 – Applications de base d’un SOA dans les systemes de telecommunicationsoptiques selon sa position dans la liaison.[3]

26


3.1.1 Amplificateur de puissance (booster) :

Son role est d’obtenir un signal de forte puissance a la sortie de l’emetteur pour luipermettre d’etre transmis sur une longue distance.

• Leurs caracteristiques sont :

→ Fort niveau d’entree (- 5 a 0 dBm).

→ Forte puissance de sortie (+15 a +30 dBm).

Figure 3.2 – Amplificateur de puissance.[3]

3.1.2 Pre-amplificateur :

Son role est pour ameliorer la sensibilite du recepteur.


→ Fort gain a petit signal (> 30 dB).

→ Faible puissance d’entree (-40 dBm).

→ Faible facteur de bruit (< 4 dB.).

Figure 3.3 – Pre-amplificateur.[3]

3.1.3 Les Amplificateurs en ligne :

Son role est de compenser les pertes de transmission sur une ligne de transmissionpour permettre le signal de parcourir une autre distance.





→ Faible facteur de bruit (< 4 dB).

→ Gain moyen ou eleve (25 dB a 35 dB).

→ Puissance de sortie (de 13 dBm (20 mW) a plus de 23 dBm (200mW)).

Figure 3.4 – Les Amplificateurs en ligne.[3]

3.2 Applications systemes de l’EDFA

L’EDFA est utilise generalement dans le domaine de la telecommunication : l’EDFA

Figure 3.5 – la telecommunication :




est utilise dans une ligne de telecommunication par trois facon differente :

⇒Au debut de la ligne qui il s’appelle un preamplificateur sert a renforcer le signal ensortie du systeme emetteur.

⇒Au milieu de la ligne qui il s’appelle l’amplificateur en ligne sert a compenser lespertes en ligne du reseau de telecommunication.

⇒A la fin de la ligne qui il s’appelle le post amplificateur sert a renforcer le signalavant qu’il ne rentre dans le systeme de reception.

Applications des lignes de telecommunication :

• Systemes de transport numerique

• Routage et commutation optique

3.3 Les Applications des amplificateurs optiques aux

multiplexage(wdm)

Le multiplexage en longueur d’onde est la technologie de base des reseaux optiques,l’idee du multiplexage est consiste a transmettre simultanement un certain nombre designaux qui sont separes et independants c’est-a-dire a des longueurs d’onde differents surune seule fibre optique, avant de l’invention de cette technologie le seul moyen d’augmen-ter la capacite d’un reseau de telecommunication optique etait de rajouter des fibres cequi induisant des couts tres importants Le principe de cette technologie est identique acelui utilise dans un television puisque on a dans notre recepteur de tv plusieurs chaınesde television qui sont transmis a des frequences differente.

Figure 3.6 – multiplexage [12]




Les amplificateurs optiques sont des elements principales dans cette technologie puisqueces amplificateurs sont utilisees pour resoudre les Problemes lies aux telecommunicationspar fibres optiques comme l’attenuation et la dispersion des signales en generale on utiliseun amplificateur EDFA en plus d’un amplificateur Raman pour corriger ces Problemes.

Dans cette technique l’amplificateur optique peuvent etre utilises comme :

⇒ Un amplificateur en ligne : compenser les pertes de transmission.

⇒ Un Pre-amplificateur : ameliorer la sensibilite du recepteur.

⇒ Amplificateur de puissance : augmenter la puissance de sortie d’un emetteur.

L’avantage d’utiliser un amplificateur optique dans cette technique est que le memeamplificateur peut amplifie l’ensemble des N longueurs d’ondes .



Conclusion

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Dans la premiere partie nous avons fait une presentation generale sur les amplifica-teurs optiques, puis nous avons parler sur le principe de fonctionnement de chaque typedes amplificateurs optiques et dans la derniere partie de notre etude nous avons parlersur quelque application pour chaque type des amplificateurs optiques (EDFA, SOA etRAMAN).

Cette etude nous a permis de conclure que chaque amplificateur a une caracteristiqueet un role defirent par rapport aux autres amplificateurs, mais la superiorite du gain, lapuissance de saturation et le faible facteur de bruit conduisent a choisir d’utiliser l’EDFAplus que les autres amplificateurs optiques.

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perspective

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Les perspectives de ce travail sont diverses, elles peuvent etre resumees par les pointssuivants :

=⇒ L’accroissement de la bande spectral des amplificateurs optiques : jusqu’a main-tenant les amplificateurs optique qui existe possede des bande spectrale inferieure a 370nm donc il faut augmenter cette bande pour ameliorer la performance de ses dispositifs.

=⇒ L’augmentation du gain : pour augmenter la distance parcoure par le signal am-plifie avant de le amplifie une autre fois c’est-a-dire diminue le nombre des amplificateursnecessaires pour transmettre le signal.

=⇒ L’obtention d’une Tres forte puissance de sortie : la meilleure puissance de pompequi existe ne depasse pas 22 dBm qui.

=⇒ Reduction des dimensions et du cout : le cout des amplificateurs optiques est treseleve (depasser 1500 dollar pour Raman) en plus de ca leurs dimensions est tres grand.

=⇒Minimisation du facteur de bruit : comme on a deja vu dans les chapitres precedentesun facteur de bruit elevee perturbee la reception des signaux donc il faut minimiser sefacteur pour ameliorer la reception des signaux.

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References bibliographiques

[1] : Pr. M. BENMOUSSA, Cours d’optique geometrique (2010/2011).

[2] : Benoit VIALLET, Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systemes duCNRS.

[3] : Hamidreza Khaleghi. Influence des amplificateurs optiques a semi-conducteurs(SOA) sur la transmission coherente de signaux optiques a format de modulation multi-porteuses (COOFDM). Autre. Universite de Bretagne occidentale - Brest, 2012. Francais.< NNT :2012BRES0034 >.< tel-00829663 >.

[4] : Technique d’analyse RAMAN Igor CHOURPA .

[5] : A. Sharaiha, � Amplificateurs optiques a semi-conducteurs �, Cours MasterPHOT-IN, ENIB, 2009-2010.

[6] : wikipedia .

[7] :Mikhael MYARA. FMSIE235 - Master EEA � Amplificateurs optiques �,’Notesde Cours’.

[8] : B. Cabon, J. Chazelas, D. Dolfi, ”Optoelectronique hyperfrequence : des com-posants aux architectures de traitement des signaux hyperfrequences”, Techniques del’Ingenieur, Vol. E3, 11/2003.

[9] : Igor. CHOURPA, Professeur de Chimie Analytique Universite Francois Rabelais,Tours. Sites de reference : Generalites sur la spectroscopie Raman http ://pcml.univ-lyon1.fr/raman/raman.html Presentation de la technique par l’ecole des Mines St-Etiennehttp ://www.emse.fr/spip/IMG/pdf/raman.pdf .

[10] : A. MOUNIR, A. BENNANI, A. LOUKILI Genie des Systemes de Telecommunicationset Reseaux ENSA �Amplificateur Raman� .

[11] : Monsieur : Laurent. BADIE ”These presentee et soutenue a Cachan le 19Decembre 2008”.

[12] : Etude et caracterisation d’une fibre optique Jacques MARCOU et Jean-MarcBLONDY .

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les amplificateurs optiques

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