Brevet FR2233767A1 — publié le 19750110

La présente invention concerne un système de transmission optique, se composant d'une source lumineuse et d'une multiplicité de fibres guide d'ondes. Pour la technique des communications optiques à ondes guidées, il est nécessaire d'avoir des fibres de verre qui se composent d'une âme et d'une gaine, les indices de réfraction de l'amie et de la gaine étant différents. Or, sur des trajets prolonges, les fibres de verre manifestent en général le comportement de transmission d'un passe-bas atténuateur. La longueur de la ligne augmentant, la fréquence limite de ce passe-bas décroît de façon continue, tandis que l'atténuation augmente. Si l'on transmet alors des impulsions lumineuses, celles-ci sont elargies et attenuées le long de la fibre. La présente invention a pour but de réaliser un système de transmission optique, se composant d'une source lumineuse et d'une multiplicité de fibres guide d'ondes, à l'aide duquel les impulsions lumineuses sont amplifiées sur leur trajet et, en même temps, raccourcies. Pour obtenir ee résultat, le trajet de la fibre guide d'ondes comporte conformément à l'invention une multiplicité de dispositifs régénérateurs dont chacun se compose d'un amplificateur laser linéaire et d'un correcteur à caractéristique de transmission non linéaire. Les amplificateurs laser et les correcteurs sont réalisés avantageusement sous forme de guides d'ondes diélectriques. Ire correcteur est de préférence un absorbeur saturable dont la constante de temps de relaxation est plus petite que la durée des impulsions lumineuses qui le traversent. Dans un exemple de réalisation préféré, le dispositif amplificateur-absorbeur est constitué par une diode au Cramas a bétérostructure double, qui se compose d'une zone amplificatrice et d'une zone absorbante, la section transversale de la diode au GaAs étant égale à celle de lafibre guide d'ondes. Dans un autre exemple de réalisation préféré, la matière de laser amplificatrice comme l'absorbeur saturable sont distribués uniformément sur toute la longueur de la fibre guide d'ondes. La saturation d'un absorbeur est particulièrement interessante pour la onction d'un correcteur optique, en raison de son comportement non linéaire de transmission optique. Au cours de ce processus, lors de l'absorption de quanta de lumière, les élec trons d'un système atomique approprié passent par exemple de leur état fondamental dans un état énergétique plus élevé dans lequel ils peuvent séjourner en fonction de leur durée de vie 9 l'ab- sorption dépend du nombre des électrons à l'état fondamental. Etant donné que cette occupation décroit du fait du processus d'absorption lui-meme, l'absorption diminue également au cours d'une impulsion lumineuse et la transmission augmente. A la saturation complète de la jonction, la transmission tend vers 1. Lorsqu'une impulsion lumineuse traverse un semblable absorbeur, une partie seulement de l'impulsion rencontre une transmission élevée. De ce fait, l'impulsion est déformée et sa durée est raccourcie. Lorsqu'une impulsion lumineuse est envoyée à plusieurs reprises successives à travers les mimes absorbeurs saturables, elle peut être raccourcie par échelons successifs. Une semblable application pour la production de très courtes impulsions dans des lasers à corps solide à modes couplés est déjà connue d'après l'article "Picosecond laser pulses" paru dans Proc. IEEE, vol 57, nO 1 (1969), pp. 2 à 25. Dans ce cas, un paquet de lumière oscille alternativement entre les deux niveaux d'un résonateur laser. A chaque passage, il est amplifié par la matière du laser et est raccourci par un absorbeur saturable, également monté dans le résonateur. Dans ces conditions, la durée des impulsions peut être raccourcie par échelons successifs jusqu'à ce qu'elle soit limitée par la largeur de bande optique du dispositif. L'invention sera expliquée ci-après de façon plus détaillée en référence aux dessins annexés, dont la fig. 1 représente schématiquement un dispositif à ondes progressives qui se compose d'un montage en série de plusieurs dispositifs amplificateursabsorbeurs, et la fig. 2 reproduit des caractéristiques d'entréesortie pour différentes valeurs de la transmission de signaux faibles. Dans le dispositif représenté schématiquement sur la fig 1, chaque dispositif amplificaeur-absorbeur se compose d'un conducteur long à fibre de verre 3, 6, d'un amplificateur laser linéaire 1, 4 et d'un absorbeur saturable 2, 5. Dans un calcul de portée générale du comportement des impulsions dans un tel système de transmission optique, il faut tenir compte aussi bien de l'élargissement des impulsions dans la fibre, y compris les conditions d'excitation et une transformation de mode éventuelle ment existante, que de la déformation non linéaire dans l'absor- beur saturable, en prenant en considération une constante de temps de relaxation prédéterminée. Pour simplifier le calcul, on admettra pour le correcteur une caractéristique obéissant à une loi exponentielle entre la puissance d'entrée p?(t) et la puissance de sortie ps (t) a etant l'exposant de la déformation non linéaire qui est choisi supérieur à 1. P1, p2, p3 représentent l'allure dans le temps de la puissance lumineuse, déterminée sur quelques périodes de la lumière, la coordonnée de temps t étant choisie chaque fois de telle sorte que son point zéro coïncide avec le centre de gravité des impulsions. On admettra par ailleurs que l'élargissement des impulsions dans la fibre ne dépend que de la largeur de bande optique du signal, ce qui est par exemple le cas avec une fibre à mode unique en raison de la dispersion dans la matière et dans le guide d'ondes. Dans ces conditions, la différence de temps de propagation de groupe entre deux composantes de fréquence est proportionnelle à la différence de fréquence et la réponse à l'impulsion s (t) d'un morceau de fibre est alors proportionnelle à la forme normalisée de la raie de la lumière. Pour simplifier encore, on peut admettre qu'il est introduit dans la fibre, à l'entrée du système de transmission, une lumière ayant une répartition spectrale selon une fonction de Gauss La réponse normalisée aux impulsions d'un morceau de fibre est alors égalementune fonction de Gauss La largeur d'impulsion t0 est proportionnelle à la largeur de raie A f, à la longueur t de la fibre et à la variation de l'indice de réfraction de groupe ngr avec la fréquence Par exemple, on obtient pour t0 une valeur au voisinage de 100 ps si l'on introduit dans cette équation pour ding, la valeur relative au verre au quartz, pour Li f la valeur relative à un laser au Ga As et une longueur de fibre de 1 km. On calculera ci-après le comportement des impulsions lorsqu'une impulsion lumineuse ayant une allure dans le temps selon une fonction de Gauss est introduite à l'entrée de la fibre (A est ici l'énergie de l'impulsion). Pour le calcul de la réponse à l'impulsion, on prend par hypothèse un spectre à répartition de Gauss ?our la plupart des lasers envisageables pour la transmission par fibres, la largeur de raie optique est nettement plus grande qu'elle ne devrait autre sur la base de la transformation de Fourier de la variation dans le temps.C'est ainsi par exemple qu'un laser au GaAs a une largeur de raie naturelle de 400 GHz environ. Ce test que dans des lasers coûteux, ayant une extrême stabilité de fréquence, que la largeur de bande porteuse est suffisamment petite pour que le spectre soit déterminé essentiellement pas l'allure dans le temps.On peut donc partir du fait que la largeur de bande spectrale @ f et, par suite, la durée de la réponse à l'impul- sion t0 ne dépendent pas de la durée t1 de l'impulsion. La forme d'impulsion p2 (t) à l'extrémité d'une fibre 3, 6 ayant le facteur d'atténuation D et comportant un amplificateur laser linéaire 1, 4 d'amplification G peut être calculée par convolution des égalités (1) et (2). On obtient de nouveau une fonction de Gauss i\LCL Ps F C (tL ) avec t2 2 t12 2 2 tl2 t0 A la suite du correcteur 2, 5, on obtient également une impulsion de Gauss : ( s 3=B(iVET~) eL (ÉCIÉ Selon la grandeur de a, cette impulsion de sortie peut être plus courte ou plus longue que l'impulsion d'entrée p1 (t). es deux impulsions ont exactement la même longueur lorsque Les amplitudes des impulsions d'entrée et de sortie sont aussi égales lorsque l'amplification G est réglée d'après la condition suivante On peut constater, comme résultat de ce calcul, que dans ce système de transmission optique idéalise, une impulsion de Gauss peut être transmise sans modification de sa forme, quel que soit le nombre des dispositifs amplificateurs-absorbeurs qui sont montés en série. En ce qui concerne les absorbeurs saturables 2, 5, la constante de temps de relaxation C: doit entre plus petite que la durée des impulsions lumineuses. Cela se vérifie par exemple pour des solutions ae matières colorantes inorganiques typiques, pour des impulsions lumineuses de l'ordre de nanosecondes. La caractéristique d'entrée-sortie d'un semblable élément à matière coloran te est fournie par l'équation transcendante T est ici la transmission des signaux faibles de la matière colorante, les grandeurs i2 et i3 sont des puissances lumineuses normalisées. p5 est inversement proportionnel à la constante de temps de relaxation et à la section d'absorption de la jonction et est désigné le plus souvent comme la puissance de saturation de l'absorbeur. On a tracé sur la fig. 2 les caractéristiques d'entrée sortie i3 (i2) pour différentes valeurs de la transmission de signaux faibles i. Pour de très petites valeurs (i2 1). Dans la plage 0,1 Si l'on fait varier la transmission initiale i de O à 1, les valeurs pour 13 (1) ne peuvent egalement se situer qu'entre O et 1.Il en résulte que l'exposant a qui définit la non linéarité ne peut prendre que des valeurs comprises entre 1 et 2.Mais cela signifie que la durée t1 de l'impulsion d'entrée doit être plus grande que la durée t0 de la réponse à l'impulsion de la fibre (tel ) to). L'absorbeur saturable doit être dimensionné de telle sorte qu'une valeur de a exigée d'après l'équation (3) soit approximativement atteinte. C'est à dire que Cette valeur nécessaire de la transmission de signaux faibles--peut être réglée par la concentration des centres absorbeurs ou par la longueur de l'absorbeur. La grandeur du signal d'entrée doit être choisie de telle sorte que l'absorbeur soit utilisé jusque dans la zone non linéaire de sa caractéristique. Si par exemple le point i2 = 1 doit être atteint dans la crête de l'impulsion, on pour l'énergie A de l'impulsion d'entrée Pour la compensation complète de l'atténuation du système de transmission avec ce dimensionnement particulier, on a alors D'aprés cette formule, il faut que l'amplification G compense, non seulement l'atténuation de la fibre, mais encore un facteur X qui est attribuable au raccourcissement de l'impul- sion par l'absorbeur comportant des pertes. Un exemple numérique rendra clair le dimensionnement. Pour t1 = 2 t0, un exposant ayant la valeur a = 1,25 est nécessaire d'après l'équation (3). On peut l'obtenir avec un absorbeur saturable ayant une transmission initiale T = 0,402. L'atténuation additionnelle résultant de la déformation est alors donnée par X = C,535. Pour calculer la puissance d'émission nécessaire, on doit connattre la puissance de saturation Ps de l'absorbeur. Avec des matières colorantes organiques, la densité de puissance de saturation est ae l'ordre de 0,1 mW/cm2. Avec une fibre à un seul mode, ayant un diametre d' & e de 4 8, on obtient d'après cela la valeur p5 = 12,5 mW. Pour la valeur de crête P1 de la puissance d'émission, on a alors et, avec les valeurs numériques indiquées ci-dessus, on obtient t1 = 7,5 mW. Il a ainsi été démontré qu'un absorbeur saturable, activé de façon appropriée, peut être utilisé approximativement comme correcteur pour des impulsions de Gauss, dans une gamme d'amplitude de 2 décades environ. Le comportement du système de transmission aux signaux faibles est important en ce qui concerne le bruit engendré dans les amplificateurs lasers par émission spontanée.Etant donné que la puissance de bruit par émission spontanée est toujours plus petite que la puissance de crête du signal, l'émission spontanée ne peut donc pas traverser l'absorbeur saturable et la combinaison amplificateur-absorbable se comporte au total comme un dispositif d'atténuation. Etant donné que, dans cette plage, l'absorbeur saturable peut entre défini par une loi de transmission linéaire (transmission T), on obtient, pour l'atténuation de l'ensemble du dispositif amplificateur-absorbeur dans la gamme des signaux faibles Avec le dimensionnement ci-dessus indiqué de D.G, on obtient et, pour l'exemple numérique choisi ci-dessus, E = 0,83. Dans le calcul indiqué ci-dessus, les nombres de photons par temps de mesure ont été calculés le long d'une ligne qui se compose de k sections comportant chacune un amplificateur laser ayant l'émission spontanée s, chaque section présentant une atténuation résiduelle 2. Si l'on applique les résultats à l'ensemble du système de.transmission optique, on obtient, pour le nombre ième de pnotons nk à la suite du k amplificateur Cette formule s'applique par exemple à un canal de transmission binaire dans la-pause entre impulsions, lorsque l'aDsor- beur n'est pas traversé par un signal lumineux suffisamment fort. Par nO, on tient compte d'un faible signal laser qui est encore présent dans la pause entre impulsions et qui peut être produit par les- impulsions de Gauss qui ne sont pas revenues complètement à zéro. Avec l'accroissement de k, le premier terme de la somme tend vers zéro dans la-formule (4) pour # Avec le système de transmission optique ici proposé, il est donc possible de transmettre des impulsions lu-mineuses de grandeur suffisante sans modification de leur forme, sans que l'émission spontanée le long de la ligne augmente sans limite. le bruit qui se produit dans les pauses entre- impulsions ne limite pas la longueur de transmission. Celle-ci n'est limitée que par le bruit du signal qui croit par ailleurs par échelons successifs (déterminé par ia dispersion de l'impulsion lumineuse autour de sa valeur de milieu). Par l'atténuation résiduelle E de chaque champ amplificateur dans la gamme des sign-aux faibles, on évite en -outre, en toute sécurité, une mise en oscillation des amplificateursd'cndes progressives, résultant de réactions au niveau de points de réflexion. Une autre possibilité consiste à-réaliser le dispositif amplificateu--absorbeur à partir d'un unique composant guide d'ondes qui peut 8tre par exemple une diode au GaLs à hétérostructure double, c'est-à-dire avec une zone amplificatrice et une zone absorbante. La section transversale de ce composant peut avoir approximativement les mêmes dimens-ions que la fibre guide d'ondes. Avec une technique de connexion appropriée, une construc tion intégrée de la ligne est alors concevable. Le guide d'ondes à amplification linéaire, dans lequel un absorbeur saturable et une matière de laser amplificatrice sont distribués uniformément de long de ligne, représente un cas limite extrême d'un tel système detransmission. Au-dessus d'un certain seuil, des impulsions lumineuses ultra-courtes à forme constante peuvent se propager dans une telle ligne. REVENDICATIONS 1. Système de transmission optique se composant d'une source lumineuse et d'une multiplicité de fibres guide d'ondes, caractérisé en ce que le trajet de la fibre guide d'ondes présente une multiplicité de dispositifs régénérateurs dont chacun se compose d'un amplificateur laser linéaire et d'un correcteur à caractéristique de transmission non linéaire. 2. Système de transmission optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'amplificateur laser et le correcteur lui-même sont réalisés sous forme de guide d'ondes diélectrique. 3. Système de transmission optique selon la re-vendication 1 caractérisé en ce que le correcteur est un absorbeur suturable. 4. Système de transmission optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la constante de temps de relaxation de l'absorbeur saturable est plus petite que la durée des impulsions lumineuses qui le traversent. 5. Système de transmission optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif amplificateur-absor-beur est constitué par une diode au GaÀs à hétérostructure double avec une zone amplificatrice et une zone absorbante, et en ce que la section transversale de cette diode au GaAs est approximativement égale à celle de la fibre guide d'ondes. 6. Système de transmission optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière de laser amplificatrice et l'absorbeur saturable sont distribués uniformément sur toute la longueur de la fibre guide d'ondes.