Brevet FR2634564A1 — publié le 19900126

Amplificateur optique à fibre La présente invention s'applique notamment à l'amplification ou à la régénération optique de signaux modulés transmis par un système de liaison à fibre optique monomode tel qu'on en utilise dans un réseau de télécommunications. Elle met en oeuvre un principe d'amplification connu fondé sur un phénomène physique appelé "Diffusion Raman Stimulée". Une description de ce phénomène peut être trouvée dans les documents suivants "Optical fiber transmission systems using Stimulated Raman Scattering Theory", K. Mochizuki, IEEE J. Lightwave Techn. vpl LT-3, nO 3, 1985, P688. "Highly efficient linearly polarized Raman generation in a germania-core optical fibre" A.S.Davison, I.H. White, Electron. Lett. vol 23, n0 25, 1987, P.1343. Ce dernier document décrit l'utilisation d'une fibre optique qui présente une forte biréfringence pour maintenir l'état de polarisation d'une lumière qu'elle guide. On sait qu'une telle biréfringence se traduit par l'existence de deux directions propres qui sont perpendiculaires entre elles et à l'axe de la fibre et qui sont l'une lente et l'autre rapide en ce sens qu'unie onde polarisée rectilignement et guidée par la fibre s'y propage à une vitesse qui est minimale ou maximale si sa direction de polarisation coïncide respectivement avec cette direction lente ou cette direction rapide, cette direction de polarisation étant alors maintenue. Un dispositif connu pour réaliser une amplification optique par Diffusion Raman Stimulée dans une fibre monomode est schématiquement représenté à la figure 1. Une onde optique d'entrée à amplifier 100 a une longueur d'onde LS et peut porter un signal. Elle est injectée dans une fibre amplificatrice 102 en superposition avec une onde plus puissante dite de pompage 104 de longueur d'onde t p engendrée par une source 106. L'injection et la superposition sont réalisée grâce à des lentilles de couplage 108 et 110 et à un miroir dichroïque 112. Si les longueurs d'ondes Lp et LS sont choisies de telle sorte que L5 soit plus grand que Lp et que l'écart de fréquence correspondant coïncide avec une résonance vibrationnelle du matériau constituant la fibre amplificatrice, il y a transfert d'énergie du faisceau de pompage vers l'onde porteuse de signal, et, par suite, amplification de celle-ci. L'onde de sortie ainsi obtenue est représentée en 114. A titre d'exemple; si la longueur d'onde du signal à amplifier est égale à 1550 nm, le gain d'amplification est maximal si la longueur d'onde de pompage est égale à 1450 nm, pour une fibre optique en silice dopée à l'oxyde de germanium. Une puissance optique de pompage de 1 W peut théoriquement faire atteindre un gain d'amplification d'un facteur 100 pour une onde porteuse d'un microwatt de longueur d'onde 1550 nm. Cependant, en pratique, des amplificateurs connus tels que celui qui vient d'être décrit n'ont pas permis d'atteindre un tel gain ni de s'en approcher. La présente invention a notamment pour but de permettre de réaliser un amplificateur du genre en question d'une manière telle qu'une onde d'entrée portant un signal informatif transmis par un système de télécommunications puisse en pratique être amplifiée avec un gain accru. Elle a notamment pour objet un amplificateur optique à fibre, cet amplificateur comportant - une entrée pour recevoir une onde d'entrée à amplifier qui est une onde lumineuse pouvant porter un signal informatif, la fréquence de cette onde étant une fréquence porteuse, - une fibre amplificatrice constituée par une fibre optique monomode biréfringente présentant une première et une deuxième directions propres de manière à maintenir la polarisation d'une onde lumineuse guidée par cette fibre et préalablement polarisée selon l'une de ces directions, un coeur de cette fibre comportant un matériau résonnant présentant une résonance vibrationelle à une fréquence de résonance, - des moyens d'injection de porteuse pour injecter ladite onde d'entrée dans ladite fibre amplificatrice, - une source de pompage pour fournir une onde de pompage qui est une onde lumineuse dont la fréquence est une fréquence de pompage et est égale à la somme de ladite -fréquence porteuse et de ladite fréquence de résonance, - des moyens d'injection de pompage pour injecter ladite onde de pompage dans ladite fibre amplificatrice avec ladite onde d'entrée de manière à engendrer une onde de sortie ayant ladite fréquence porteuse et amplifiée par rapport à ladite onde d'entrée, - et une sortie pour fournir ladite onde de sortie, - cet amplificateur étant caractérisé par le fait que lesdits moyens d'injection de pompage injectent dans ladite fibre amplificatrice deux dites ondes de pompage polarisées rectilignement dans les deux dites directions propres de cette fibre, de manière à amplifier indépendamment dans cette fibre deux composantes porteuses qui sont d'abord constituées par deux composantes de ladite ondes d'entrée polarisées rectilignement dans ces deux directions et qui constituent ensuite deux composantes de ladite onde de sortie, respectivement. Les deux dites ondes de pompage polarisées peuvent bien entendu être constituées par deux composantes d'une même onde qui peut par exemple être polarisée rectilignement à 45 degrés par rapport aux dites directions propres, ou être polarisée circulairement. L'augmentation de gain que la présente invention permet d'obtenir en pratique peut être expliquée comme suit Le couplage entre l'onde porteuse de signal et l'onde de pompage se fait de manière telle que le transfert d'énergie entre les deux ondes est nul, en première approximation, lorsque leurs plans de polarisation sont orthogonaux, et il est maximal lorsque elles ont des plans de polarisation identiques. Il en résulte que, si on ne prend pas de précautions particulières pour sa réalisation, l'ampllficateur de la figure 1 ne peut pas atteindre en pratique le gain d'amplification théorique précédemment indiqué, ceci pour deux raisons - La fibre optique ne conserve pas, sauf conception spécifique, l'état de polarisation des ondes qu'elle véhicule. - L'état de polarisation de l'onde porteuse de l'entrée doit, dans la pratique des télécommunications, être considéré comme inconnu, et pouvant fluctuer dans le temps. Dans le cadre de la présente invention, on peut adopter de plus les dispositions ci-dessous qui sont avantageuses dans divers cas de mise en oeuvre de cette invention. L'amplificateur comporte en outre un séparateur de sortie dichroSque disposé en sortie de ladite fibre amplificatrice pour séparer de ladite onde de sortie au moins une onde de pompage résiduelle ayant ladite fréquence de pompage, - au moins un détecteur de pompage résiduel pour mesurer cette onde de pompage résiduelle, - et au moins un circuit d'asservissement de pompage commandé par ce détecteur de pompage résiduel et commandant une dite source de pompage de manière à réguler au moins une caractéristique desdites ondes de pompage. L'amplificateur comporte une première et une deuxième dites sources de pompage pour engendrer une première et une deuxième dites ondes de pompage, - et un séparateur de polarisation de sortie recevant et séparant une première et une deuxième dites ondes de pompage résiduelles provenant desdites première et deuxième ondes de pompage, - un premier et un deuxième dits détecteurs de pompage résiduels pour mesurer cette première et cette deuxième ondes de pompage résiduelles, - et un premier et un deuxième dits circuits d'asservissement commandés par ces premier et deuxième détecteurs de pompage résiduel et commandant ladite première et ladite deuxième sources de pompage pour réguler indépendamment les intensités desdites première et deuxième ondes de pompage, respectivement. Lesdits moyens d'injection de porteuse et de pompage comportent - un séparateur de polarisation d'entrée pour séparer spatialement lesdites première et deuxième composantes porteuses, - un premier et un deuxième moyens de superposition pour superposer lesdites première et deuxième ondes de pompage aux dites première et deuxième composantes porteuses, avec concordance des directions de polarisations entre chaque dite composante porteuse et ladite onde de pompage qui lui est superposée, pour former une première et une deuxième ondes composites polarisées rectilignement, selon une première et une deuxième directions de polarisation, respectivement, - et un combinateur de polarisations pour combiner spatialement ces deux ondes composites et pour les injecter dans ladite fibre amplificatrice avec orientation desdites première et deuxième directions de polarisation selon lesdites première et deuxième directions propres de cette fibre, respectivement. L'amplificateur comporte en outre des moyens de compensation temporelle pour égaliser les temps de propagation des deux dites composantes porteuses entre ladite entrée et ladite sortie de l'amplificateur. Lesdits moyens de compensation temporelle sont constitués par un tronçon de compensation qui est un tronçon de fibre optique monomode et qui est parcouru par l'une au moins desdites composantes porteuses. Ledit tronçon de compensation est un deuxième tronçon de ladite fibre amplificatrice qui comporte aussi un premier tronçon, chacune desdites composantes porteuses voyant une direction propre rapide de l'un de des tronçons et une direction propre lente de l'autre. A l'aide des figures schématiques, ci-jointes, on va décrire plus particulièrement ci-après, à titre d'exemple non limitatif, comment la présente invention peut être mise en oeuvre dans le cadre de l'exposé qui en a été donné ci-dessus. Le mode de mise en oeuvre donné en exemple comporte les dispositions avantageuses mentionnées ci-dessus. Il doit être compris que les éléments mentionnés peuvent être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. La figure 1 représente une vue d'un amplificateur connu déjà décrit ci-dessus. La figure 2 représente une vue d'un amplificateur selon l'invention. L'amplificateur selon l'invention donné en exemple est représenté figure 2. Il comporte une fibre optique monomode d'entrée 1 qui constitue ladite entrée par laquelle arrive une onde porteuse d'entrée A. Cette onde est lumineuse et présente ladite fréquence porteuse fs correspondant à une longueur d'onde Ls. Elle porte des signaux informatifs à amplifier qui sont issus par exemple d'un système de liaison ou d'une source modulée dans un réseau de télécommunications. Il comporte aussi une fibre optique monomode amplificatrice 2 qui est constituée de deux tronçons successifs identiques 28 et 29 raccordés par un raccord 30 et présentant chacun une dite résonance vibrationelle à une fréquence de résonance fs. Les directions propres lente et rapide, par exemple FX et FY, de chacun de ces tronçons, par exemple le tronçon 28, sont respectivement parallèles aux directions propres rapide et lente de l'autre. On constitue ainsi les moyens de compensation temporelle précédemment mentionnés. D'autres moyens seraient rependant utilisables, qui réaliseraient par exemple d'abord une séparation des deux composantes porteuses, puis une application d'un retard à l'une de ces composantes dans un tronçon de fibre de compensation prévu à cet effet, et enfin une recombinaison des deux composantes. L'amplificateur comporte enfin une fibre optique monomode de sortie 3 qui constitue ladite sortie par laquelle part une onde porteuse de sortie B. Cette onde a été amplifiée et elle porte lesdits signaux informatifs qui ont été amplifiés avec elle. L'onde porteuse d'entrée est collimatée par un objectif 4, puis traverse un prisme qui constitue ledit séparateur de polarisations 5. Ce prisme en sépare spatialement deux composantes AX et AY qui présentent des polarisations rectilignes orthogonales et qui constituent lesdites composantes porteuses. L'amplificateur permet de superposer à chacune de ces composantes une onde de pompage de même état de polarisation. Ces deux ondes sont fournies par les deux dites sources de pompage 10 et 13, qui émettent des ondes continues de longueurs d'onde aussi proches que possible d'une valeur optimale Lp correspondant à ladite fréquence de pompage f précédemment définie. p La première composante AX est réfléchie par un miroir dichroSque 6 qui possède un coefficient de réflexion voisin-de 100% pour la longueur d'onde LS et un coefficient de transmission voisin de 100% pour la longueur d'onde de pompage Lp pour constituer ledit premier moyen de superposition. Elle est ainsi superposée à la première onde de pompage PX qui a été émise par une source 10, commandée et alimentée électriquement par un premier circuit de commande 11, et qui a été collimatée par un objectif 12. De la même façon la deuxième composante AY est superposée par un miroir dichrorque 7 à la deuxième onde de pompage PY de même polarisation, émise par la deuxième source de pompage 13 et collimatée par un objectif 15.Ce miroir constitue ledit deuxième moyen de superposition. Cette source est commandée par un deuxième circuit de commande 14. Ledit combinateur de polarisation est constitué par un prisme identique au prisme 5 mais utilisé ici, à l'inverse, pour recombiner spatialement les faisceaux polarisés orthogonalement qui sont issus des miroirs 6 et 7 et qui constituent lesdites ondes composites. Ces faisceaux recombinés sont injectés dans la fibre 2 par un objectif 9. La fibre amplificatrice 2 est du type dit "à maintien de polarisation", elle est décrite par exemple dans le document "Development of low-and High-Birefringence Optical Fibers", D.N. Payne, A.J.Barlow, JJ. Hansen, IEEE J. Quant. Electron, vol QE-18, nO 4 1982. Cette fibre a la propriété d'être dotée d'une biréfringence élevée définissant deux directions propres orthogonales, dans un plan transverse perpendiculaire à son axe. Une onde polarisée rectilignement et parallèlement à l'une de ces directions propres, garde son état de polarisation inchangé au cours de la propagation le long de la fibre, cela avec une efficacité voisine de 99% pour 5 à 10 Km de longueur. Les directions propres FX et FY de la fibre 2 sont orientées selon les directions de polarisation des composantes AX et AY Chacune de ces composantes est ainsi amplifiée séparément, avec une valeur commune d'un gain d'amplification. On réalise ainsi une amplification indépendante de l'état de polarisation de l'onde porteuse reçue à l'entrée de l'amplificateur. A la sortie de la fibre amplificatrice 2, les ondes de pompage et porteuse sont collimatées par un objectif 16, puis séparées par un séparateur dichroïque 17, caractérisé par exemple, par un coefficient de réflexion voisin de 100% pour la longueur d'onde de pompage Lp et un coefficient de transmission de 1005 pour la longueur d'onde porteuse L5 L'amplification par diffusion Raman stimulée s'accompagne d'un bruit "d'émission spontanée" à spectre large qu'il est possible de minimiser par l'emploi d'un filtre passe-bande (type filtre interférentiel) 18 centré sur la longueur d'onde L5 et de largeur à mi-hauteur aussi faible que possible. Finalement l'onde porteuse amplifiée B est injectée, par un objectif 19 dans la fibre de sortie 3, où elle constitue ladite onde de sortie. Lesdites ondes de pompage résiduelles qui ont été déviées par un séparateur 17 présentent la forme de faisceaux QX et QY, Ces faisceaux sont séparés par un séparateur de polarisation de sortie 20 convenablement orienté. Les deux dits détecteurs de pompage résiduels 21 et 22 permettent de mesurer leurs puissances grâce à des optiques de focalisation 23 et 24. L'information fournie par les détecteurs 21 et 22 est utilisée par lesdits circuits d'asservissement 25 et 26 pour réguler deux lasers qui constituent les sources de pompage 10 et 13. Cette régulation a pour buts - d'égaliser les gains d'amplification vus par les composantes AX et AY de l'onde porteuse, - et de corriger les instabilités des lasers 10 et 13 ou surtout de compenser les instabilités mécaniques ou thermiques pouvant perturber le couplage des faisceaux dans la fibre 2, ceci par commande de la puissance de ces lasers. REVENDICATIONS 1/ Amplificateur optique à fibre, cet amplificateur comportant - une entrée (1) pour recevoir une onde d'entrée à amplifier (A) qui est une onde lumineuse pouvant porter un signal informatif, la fréquence de cette onde étant une fréquence porteuse (fs), - une fibre amplificatrice (2) constituée par une fibre optique monomode biréfringente présentant une première (FX) et une deuxième (FY) directions propres de manière à maintenir la polarisation d'une onde lumineuse guidée par cette fibre et préalablement polarisée selon l'une de ces directions, un coeur de cette fibre comportant un matériau résonnant présentant une résonance vibrationelle à une fréquence de résonance - des moyens d'injection de porteuse (5, 6, 8) pour injecter ladite onde d'entrée dans ladite fibre amplificatrice, - une source de pompage (10) pour fournir une onde de pompage (PX) qui est une onde lumineuse dont la fréquence est une fréquence de pompage (f ) et est égale à la somme de ladite fréquence porteuse p et de ladite fréquence de résonance, - des moyens d'injection de pompage (8) pour injecter ladite onde de pompage dans ladite fibre amplificatrice avec ladite onde d'entrée, de manière à engendrer une onde de sortie (B) ayant ladite fréquence porteuse et amplifiée par rapport à ladite onde d'entrée, - et une sortie (3) pour -fournir ladite onde de sortie, - cet amplificateur étant caractérisé par le fait que lesdits moyens d'injection de pompage (8, 9) injectent dans ladite fibre amplificatrice deux dites ondes de pompage (PX, PY) polarisées rectilignement dans les deux dites directions propres (FX, FY) de cette fibre, de manière à amplifier indépendamment dans cette fibre deux composantes porteuses (AX, AY) qui sont d'abord constituées par deux composantes de ladite onde d'entrée polarisées rectilignement dans ces deux directions et qui constituent ensuite deux composantes de ladite onde de sortie, respectivement. 2/ Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un séparateur de sortie dichroïque (17) disposé en sortie de ladite fibre amplificatrice (2) pour séparer de ladite onde de sortie (B) au moins une onde de pompage résiduelle (QX) ayant ladite fréquence de pompage (fi), - au moins un détecteur de pompage résiduel (21) pour mesurer cette onde de pompage résiduelle - et au moins un circuit d'asservissement de pompage (25) commandé par ce détecteur de pompage résiduel et commandant une dite source de pompage (10) de manière à réguler au moins une caractéristique desdites ondes de pompage (PX, PY). 3/ Amplificateur selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comporte une première (10) et une deuxième (13) dites sources de pompage pour engendrer une première (PX) et une deuxième (PUY) dites ondes de pompage, - et un séparateur de polarisation de sortie (20) recevant et séparant une première (QX) et une deuxième (QY) dites ondes de pompage résiduelles provenant desdites première (PX) et deuxième (PY) ondes de pompage, - un premier (21) et un deuxième (22) dits détecteurs de pompage résiduels pour mesurer cette première et cette deuxième ondes de pompage résiduelles, - et un premier (25) et un deuxième (26) dits circuits d'asservissement commandés par ces premier et deuxième détecteurs de pompage résiduel et commandant ladite première et ladite deuxième sources de pompage pour réguler indépendamment les intensités des dites première et deuxième ondes de pompage, respectivement. 4/ Amplificateur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que lesdits moyens d'injection de porteuse et de pompage comportent - un séparateur de polarisation d'entrée (5) pour séparer spatialement une première (AX) et une deuxième (AY) composantes porteuses qui sont des composantes de polarisations rectilignes orthogonales de ladite onde d'entrée (A), - un premier (6) et un deuxième (7) moyens de superposition pour superposer lesdites première et deuxième ondes de pompage aux dites première et deuxième composantes porteuses, avec concordance des directions de polarisations entre chaque dite composante porteuse et ladite onde de pompage qui lui est superposée, pour former une premiere (AX, PX) et une deuxième (AY, PY) ondes composites polarisées rectilignement, selon une première et une deuxième directions de polarisation, respectivement, - et un combinateur de polarisations (8) pour combiner spatialement ces deux ondes composites et pour les injecter dans ladite fibre amplificatrice (2) avec orientation desdites première et deuxième directions de polarisation selon lesdites première (FX) et deuxième (FY) directions propres de cette fibre, respectivement. 5/ Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre des moyens de compensation temporelle (29) pour égaliser les temps de propagation des deux dites composantes porteuses (AX, AY) entre ladite entrée (1) et ladite sortie (3) de l'amplificateur. 6/ Amplificateur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que lesdits moyens de compensation temporelle sont constitués par un tronçon de compensation (29) qui est un tronçon de fibre optique monomode et qui est parcouru par l'une au moins desdites composantes porteuses (AI, AY). 7/ Amplificateur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que ledit tronçon de compensation est un deuxième tronçon (29) de ladite fibre amplificatrice qui comporte aussi un premier tronçon (28), chacune desdites composantes porteuses (AX, AY) voyant une direction propre rapide de l'un de ces tronçons et une direction propre lente de l'autre.