Brevet FR2659755A1 — publié le 19910920

Amplificateur optique à fibre dopée à l'erbium La présente invention concerne un amplificateur optique à fibre dopée à l'erbium, trouvant notamment une application dans les systèmes de télécommunications sous-marines à fibres optiques. La particularité des amplificateurs à fibre optique dopée à l'erbium réside dans l'obtention de gains élevés par simple passage du signal, dans le domaine spectral 1,5 1,6 um, pour des puissances optiques de pompage réduites, de l'ordre de 1 à 150 m W. La stabilité du processus d'amplification dans une fibre est entre autres liée aux bruits modaux de la pompe optique Il est donc préférable que l'amplificateur fonctionne suivant un schéma de principe dans lequel la pompe optique et le signal à amplifier sont monomodes, la longueur d'onde de coupure du mode L Pil de la fibre amplificatrice étant ainsi inférieure à la longueur d'onde de la pompe Cela restreint les longueurs d'ondes de pompage aux deux domaines spectraux 0,98 0,04 um et 1,48 0,04#m. Une analyse de l'efficacité des processus régissant les amplificateurs peut être conduite en analysant le coefficient de gain g obtenu par le rapport entre le gain net G, exprimé en d B, de la fibre amplificatrice et la puissance optique de pompage, exprimée en m W Ce coefficient s'exprime ainsi en d B/m W. Les amplificateurs optiques connus pour avoir les meilleures performances sont décrits dans les deux articles suivants: l 11 J L ZYSKIND, J R SIMPSON, C R GILES and E DESURVIRE, papier 1171-13, Conférence SPIE, Boston (USA), Septembre 1989. l 23 M SHIMIZU, M HORIGUCHI, M YAMADA, I MISHI, S. UEHARA, J NODA, E SUGITA, Post-deadline paper N O 17, OFC Conférence, San Francisco (USA), January 1990. Le premier divulgue un coefficient de gain g de 2,6 d B/m W pour une puissance de pompe de l Om W située dans le domaine spectral de 1,48 gm; la fibre correspondante présente un rayon de mode W à la longueur d'onde de 1,55 gm égal à 2,71 gm. Le second indique un coefficient de gain g de 4,9 d B/m W pour une puissance de pompe de 5 m W située dans le domaine spectral de 0,98 gm la fibre présente un rayon de mode W à la longueur d'onde de 1,55 *m -2- égal à 2,99 gm Aucun de ces deux articles ne précise la distribution radiale de l'erbium dans la fibre. La présente invention a pour but de réaliser des amplificateurs optiques dont les fibres amplificatrices présentent des performances, et donc des coefficients de gain, supérieurs à ceux actuellement connus Pour y parvenir, la présente invention propose une optimisation des paramètres de la fibre et une optimisation de la localisation radiale de l'erbium. La présente invention a pour objet un amplificateur optique à fibre dopée à l'erbium, caractérisé par le fait que ladite fibre présente un rayon de mode inférieur ou égal à 2,7 gm à la longueur d'onde de 1,55 gm, et par le fait qu'il présente au moins une longueur d'onde de pompe située dans les domaines spectraux de 0,98 0,041 zm et 1,48 0,049 m, le domaine spectral d'au moins un signal à amplifier étant de 1,5-1,6 gm. De manière étonnante, alors qu'on pouvait s'attendre à une dégradation du rapport signal à bruit due à la réduction du rayon de mode, on constate qu'un amplificateur selon l'invention présente un coefficient de gain g pouvant atteindre des valeurs supérieures à 5 d B/m W sans dégradation notable de ce rapport signal à bruit. Le coefficient de gain g de ladite fibre est amélioré par une diminution du seuil de puissance de pompe nécessaire pour avoir un gain de Od B sur une longueur optimale de la fibre amplificatrice En effet, ce coefficient est d'autant plus important que l'on obtient des gains élevés pour de faibles puissances de pompe Or, ce seuil est amélioré par une augmentation de la densité de puissance optique de la pompe, donc par une réduction du rayon de mode à la longueur d'onde de pompe et aussi à la longueur d'onde signal. Des auteurs tels que J R ARMITAGE dans un article paru dans "Applied Optics, 27, 1988 pages 4 831 à 4 836 " qui ont déjà essayé d'optimiser les paramètres de la fibre de l'amplificateur n'ont pas mis en évidence le rôle primordial du rayon de mode W Selon un mode de réalisation préférentiel, le rayon de coeur R de la fibre est compris entre 1,2 pm et 1,6 gm; il est par exemple égal à 1,5 um; l'écart d'indice A N entre le coeur et la gaine de la fibre -3- -3 est compris entre 25 xl O et 35 xl O: N est par exemple égal à -3 xl O Selon un perfectionnement, la distribution radiale de l'erbium dans le coeur de la fibre n'est pas uniforme; cette distribution est centrée sur l'axe de révolution de la fibre et la largeur à mi-hauteur r de cette distribution radiale est inférieure au tiers du rayon du coeur R. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante de modes de réalisation donnés à titre illustratif mais nullement limitatif. Dans le dessin annexé La figure 1 montre la distribution radiale 9 de l'erbium dans un exemple de fibre selon l'invention. La figure 2 montre, pour une fibre selon l'invention et pour une fibre de l'art antérieur, des courbes de variations de gain G (d B) en fonction du signal d'entrée S (en d Bm) de l'amplificateur (ld Bm correspond à Om W). On étudie quatre amplificateurs à fibre; les fibres N O 1 et 2 sont des fibres selon l'invention et les fibres N O 3 et 4 sont des fibres selon l'art antérieur Les quatre fibres ont une répartition de l'erbium uniforme dans le coeur. On a reporté dans le tableau I leur longueur optimale L (mètres), la valeur de leur écart d'indice à n, leur rayon de coeur R (mm), leur rayon de mode W (mm), leur gain G (d B) et leur coefficient de gain g (d B/m W). Les résultats du tableau I correspondent à une puissance de pompe de l Om W à 1,476 pm avec un signal d'entrée de O,lu W à 1,5320 m. 4 - TABEAU I Fibre n l Fibre n 2 Fibre n 3 Fibre n 4 L (m) 28 28 12 24 \n 30 xl O-3 25 x 103 10 xl O 0-3 20 x 10-3 R ("m) 1,5 1,5 3,5 2,5 Wo ("m) 2,10 2,32 3, 82 2,71 G (d B) 31,7 31,2 7,2 24,1 g (d B/m W) 3,2 3,1 0,7 2,4 On constate également que les fibres n 1 et 2 selon l'invention ne présentent pas de dégradation du rapport signal à bruit par rapport aux fibres n 3 et 4. Selon un perfectionnement, on prévoit une distribution radiale non uniforme de l'erbium dans la fibre, par exemple conformément à la figure 1 Le profil de la distribution d'erbium est défini par sa largeur à mihauteur r égale au cinquième du rayon du coeur R de la fibre La position centrale de la zone dopée coïncide avec le maximum d'énergie du mode fondamental de la pompe. Les fibres n 5 et 6 sont deux fibres selon l'invention, la fibre n 5 ayant la distribution d'erbium selon la figure 1 et la fibre n 6 ayant une distribution uniforme. Le tableau II ci-dessous donne des résultats pour ces deux fibres correspondant à une puissance de pompe de 5 m W à 1,476 gm avec un signal incident de O,l W à 1,532 um. - TABLEAU II Fibre N O 5 Fibre N O 6 L (m) 24 22 A N 30 xl O 3 30 x 10-3 R (pm) 1,5 1, 5 Wo ("m) 2,1 2,1 G (d B) 27,4 22,6 g (d B/m W) 5,5 4,5 On obtient avec la fibre N O 5 un coefficient de gain g supérieur à 5 db/m W. Dans la figure 2 apparaissent, pour deux fibres analogues aux fibres N O 2 et 3, des courbes référencées respectivement A et B montrant les variations du gain G (en d B) en fonction du signal d'entrée S(d BM) à 1,55 um La puissance de pompe est de 25 m W à 1,48#m chacune des fibres à sa longueur optimale. La comparaison des deux courbes montre que la courbe A selon l'invention présente par rapport à la courbe B, pour les faibles signaux incidents, un coefficient de gain nettement amélioré et, pour des signaux assez forts pour correspondre au régime de saturation d'amplification, un rendement global du processus d'amplification très amélioré. Des amplificateurs conçus suivant la présente invention pourraient par exemple travailler à faible puissance de saturation avec des gains importants, ce qui est intéressant pour un amplificateur inséré dans une ligne de transmission. L'amélioration des performances d'un amplificateur selon l'invention apparait donc quel que soit son régime de fonctionnement -6- avec un pompage dans les domaines spectraux de 0,98 0,04 um et 1,48 gm 0,04#m des signaux incidents sur la fibre faibles ou forts à des longueurs d'onde comprises dans le domaine spectral 1,5 gm-1,6 gm une position quelconque de l'amplificateur sur la ligne de transmission. Une fibre selon l'invention peut être réalisée par exemple à partir d'une préforme obtenue conformément à l'enseignement du brevet français BF 87 14 286 du 16 octobre 87. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits, notamment en ce qui concerne la courbe de répartition radiale de l'erbium dans la fibre, les valeurs du rayon de coeur et de l'écart d'indice à n. -7- REVENDICATIONS 1/ Amplificateur optique à fibre dopée à l'erbium, caractérisé par le fait que ladite fibre présente un rayon de mode inférieur ou égal à 2,7 gm à la longueur d'onde de 1,55 um, et par le fait qu'il présente au moins une longueur d'onde de pompe située dans les domaines spectraux de 0,98 0,04#m et 1,48 0,04 mm, le domaine spectral d'au moins un signal à amplifier étant de 1,5-1,69 m. 2/ Amplificateur optique à fibre dopée à l'erbium selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, l'erbium étant localisé dans le coeur de ladite fibre, sa distribution radiale est centrée sur l'axe de révolution de ladite fibre et la largeur à mi-hauteur de cette distribution radiale est inférieure au tiers du rayon du coeur. 3/ Amplificateur optique à fibre dopée à l'erbium selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le rayon du coeur de ladite fibre est compris entre 1,2 pm et 1,6 pm et que l'écart d'indice à N entre le coeur et la gaine de la fibre est compris entre -3 -3 xl O et 35 xl O 4/ Amplificateur optique à fibre dopée à l'erbium selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ledit rayon est égal à 1,5 gm et ledit écart d'indice A N est égal à 30 xl O 3.