Brevet FR2681745A1 — publié le 19930326

SYSTEME DE TRANSMISSION OPTIQUE A COMPENSATION DE DISPERSION L'invention concerne un système de transmission optique à compensation de dispersion et plus particulièrement un système de dispersion assurant une compensation de la dispersion en longueurs d'onde ainsi qu'un rôle d'amplification. Notamment l'invention réside dans un composant à base de fibre optique qui présente la particularité de pouvoir compenser la dispersion temporelle liée à la dispersion chromatique tout en réalisant la fonction d'amplification optique. On rappelle ici que l'expression "dispersion chromatique" désigne la dispersion temporelle des signaux de différentes longueurs d'ondes. Les fibres optiques à base de silice sont caractérisées par le fait qu'elles présentent un minimum de pertes à 1,55 Mm et que la dispersion chromatique est minimisée au voisinage de 1,3 clam. Il faut savoir que pour des raisons de simplicité de mise en oeuvre et de coût de fabrication, les fibres monomodes insérées dans les systèmes actuels, sont généralement à profil d'indice à saut d'indice et adaptées en dispersion chromatique à la transmission de signaux 1,3 pm. De telles fibres présentent un coefficient de dispersion chromatique de l'ordre de 20ps/nm.km à 1,55 pm. Ainsi, la transmission d'un signal dans cette gamme spectrale avec une largeur de lnm sur 50km se traduit par un élargissement temporel de ions. Cependant de telles fibres présentent des pertes de transmission (0,2 dB/km par exemple à la largeur d'onde de 1,55 cri). Afin de pouvoir bénéficier des faibles pertes à 1,55 Clam, il est donc nécessaire d'employer des sources optiques à faible largeur spectrale à 1,55 iim. Il n'empêche que toute modulation d'une diode laser est marquée par une modulation de fréquence qui se traduit par une modification du spectre d'émission. Cet élargissement spectral peut être pénalisant au niveau de la qualité d'une réception ou réducteur dans l'élaboration du budget d'une liaison selon le type de modulationn employé. Cette remarque affecte plus particulièrement les liaisons à modulation d'amplitude. Ce type de modulation se prête bien à la transmission d'un grand nombre de canaux de télévision, car dans ce cas, la bande de fréquence totale occupée par la modulation est relativement faible comparée à la bande de fréquence associée au débit de transmission équivalent, qui doit être manipulé en employant une modulation de type numérique. Si l'on souhaite transmettre ces signaux en modulation analogique et sur une grande distance à partir d'une porteuse à 1,5 pm, il est nécessaire de trouver un moyen qui permette de minimiser les effets dispersifs sur la ligne de transmission liés à l'élargissement spectral qui accompagne toute modulation d'une diode laser. Le choix de la porteuse optique est naturellement gouverné dans ce cas par la faible atténuation que peut présenter le support de transmission et également par l'existence d'amplificateurs pouvant facilement s'insérer dans la ligne de transmission. Aujourd'hui ces amplificateurs sont représentés par les fibres optiques à base de silice dopées avec une terre rare 3+ Er La dispersion chromatique d'une fibre optique se compose d'une dispersion matériau et d'une dispersion de mode. La propagation d'une onde optique dans un guide est donnée par l'expression T = L dss/dw = c dss (1) g c dk où - L est la longueur de transmission, - ss est la constante de propagation du mode, - w est la pulsation de la porteuse, - c est la vitesse de la lumière, - k le vecteur d'onde associé à l'onde optique dans le vide (k = On caractérise le mode de propagation à partir d'un paramètre fréquence normalisée qui est relié aux propriétés optogéométriques du guide V = k a (n12 - n22)1/2 (2) où - a est le rayon de coeur du guide optique, - n1 et n2 représentent les indices de réfraction du matériau de coeur et de gaine. Si V La résolution des équations de Maxwell permet d'établir l'évolution du paramètre ss en fonction des caractéristiques optogéométriques du guide. En particulier, on définit la dépendance de la constante de propagation transverse U dans le coeur en fonction du paramètre V en résolvant l'équation Ji' K. étant les fonctions de Bessel et Bessel modifiées d'ordre i. On obtient ainsi une relation de type U = f(V) qui dépend de a, n1, n2 et A. Cette constante de propagation 13 (valeur propre), dont la valeur résulte de la résolution de l'équation caractéristique issue des équations de Maxwell, est reliée à une valeur effective de l'indice vue par l'onde électromagnétique associée au champ optique. On peut employer le concept de constante de propagation normalisée B en écrivant B = ((ss/k)-n2)/(n1-n2) = (neff -n2 )/(n1 -n2 ) (4) et qui s'écrit encore B = 1-U2/V2 (5) Les dispersions des indices optiques des matériaux de coeur et de gaine sont généralement décrits par des relations de Sellmeier En utilisant les expresions (1)(2)(4), on aboutit à la relation qui permet de déterminer l'évolution du temps de groupe en fonction de la dispersion chromatique des matériaux de coeur et de gaine, et de la dispersion du mode. Ni est l'indice de groupe du milieu i et s'écrit Ni = ni - #dni/d# (8) La longueur d'onde optimale d'emploi d'une fibre optique sera représentée par celle pour laquelle est obtenue une annulation de la dérivée du temps de groupe par rapport à #. La dérivée du temps de groupe définit le coefficient de dispersion chromatique qui permet d'évaluer l'élargissement impulsionnel lié à la largeur spectrale de l'onde optique véhiculée par la fibre. Ce coefficient de dispersion chromatique est donné par l'expression M (ps/nm km) = -x/c d2neff/dk2 (9) Bien que la dispersion chromatique s'annule au voisinage de la longueur d'onde de 1,3 Mm pour une fibre standard, on montre à partir de l'expression (7) qu'il est possible de compenser la dispersion matériau par la dispersion du mode portant le minimum de dispersion chromatique vers 1,5 ina - en employant des fibres optiques à grande différence d'indice, - en utilisant des fibres qui présentent un paramètre V petit (V=1,5) à la longueur d'onde système de 1,5 pm. Ces fibres voient cependant leurs pertes augmenter puisqu'il est nécessaire d'employer des guides optiques ayant une forte différence d'indice, ce qui s'accompagne d'un accroissement du coefficient de pertes par diffusion dû aux fluctuations de concentrations (loi de Rayleigh), ce qui se traduit par une diminution de la portée au niveau du système. Une alternative consiste à employer des structures à profil d'indice plus compliqué (profil triangulaire, à gradient, W,...) mais la conservation de la distribution de ce profil d'indice en production de masse présente un caractère critique. Une autre contrainte réside dans le fait que des liaisons sont déjà installées et il est souhaité d'élargir leur utilisation notamment de pouvoir les utiliser pour la transmission de canaux TV. L'invention permet de résoudre le problème de la dispersion des fréquences (dispersion chromatique) qui se traduit par une propagation, à des vitesses différentes, d'ondes de longueurs d'ondes différentes. L'invention fournit un système permettant de compenser des dispersions de transmission de différentes longueurs d'ondes et cela notamment dans le cas de transmissions sur fibres optiques. L' invention concerne donc un système de transmission à fibre optique comprenant au moins un premier milieu de transmission présentant un coefficient de dispersion en longueurs d'ondes déterminée pour une longueur d'onde nominale de fonctionnement, caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième milieu de transmission couplé optiquement au premier milieu de transmission, présentant, à la même longueur d'onde de fonctionnement, un coefficient de dispersion en longueurs d'ondes de signe opposé au coefficient de transmission du premier milieu de transmission. Selon cette invention, les milieux de transmission sont préférentiellement des fibres optiques. L'invention concerne également un système de transmission à fibre optique, caractérisé en ce que la deuxième fibre optique est dopée à l'aide d'une terre rare et qu'elle comporte des moyens de couplage permettant d'injecter une onde de pompe de façon à faire fonctionner cette deuxième fibre optique en fibre amplificatrice. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent - la figure la, un exemple de réalisation d'un système selon l'invention - la figure lb, des courbes de dispersion du temps de groupe en fonction des longueurs d'ondes des milieux de transmission de la figure la - la figure lc, des courbes donnant les coefficients de dispersion pour différentes longueurs d'ondes des milieux de transmission de la figure la - les figures 2a à 2c, les évolutions des coefficients de dispersion en longueurs d'ondes en fonction de la longueur de fibre L, et de la position en longueur d'onde du régime monomode pour des fibres dopées germanium - les figures 3a, 3b, les évolutions des coefficients de dispersion en longueurs d'ondes en fonction de la longueur de la fibre L, et de la position longueur d'onde du régime monomode pour des fibres fluorées - les figures 4a, 4b, un exemple de fibre amplificatrice dopée erbium - les figures 5a à 5c, des exemples de systèmes amplificateurs et à compensation de la dispersion chromatique. Selon 1' invention, dans un réseau de transmission présentant de la dispersion de transmission temporelle des différentes longueurs d'ondes, on prévoit d'insérer un élément de transmission présentant une dispersion de transmission inverse à celui du réseau de transmission. L'invention va être décrite en considérant comme milieux de transmission, des fibres optiques. Cependant, elle serait capable à tout autre milieu de transmission. Par exemple, selon la figure la, on prévoit d'associer à un tronçon de fibre optique de transmission F1 dans lequel est accumulée une dispersion, une fibre optique spécifique F2 dont le rôle est de compenser la dispersion accumulée dans le tronçon de fibre optique F1. Cette conception est aisée à mettre en oeuvre car toute liaison est caractérisée par un tronçon de transport véhiculant les signaux optiques. Ce tronçon est couplé à un autre tronçon F3 après que les signaux aient été amplifiés ou/et remis en forme. A l'endroit de couplage des deux tronçons F1 et. F3, il est possible d'insérer un composant qui peut réaliser cette opération de compensation et d'amplification. Selon l'invention on prévoit une fibre F2 qui présente une pente de dispersion du temps de groupe opposée à celle caractérisant le milieu de transmission F1. Le temps de groupe total s'écrit Tgt = Tg1 L1 + Tg2 L2 soit en dérivant par rapport à # : dTgt/d# = L1 dTg1/d# + L2 dTg2/d# on voit ainsi qu'en fonction du signe de dTg2/dX il est possible de compenser les effets de dispersion chromatique. En particulier, il faut employer une fibre qui présentera un coefficient dTg2/d# satisfaisant à l'égalité : dTg2/d# = - (L1/L2)(dTg1/d#) En satisfaisant cette relation, on compensera la dispersion liée au premier tronçon.Sachant que l'on souhaite avoir une longueur de fibre L2 la plus faible possible, il faudra employer une fibre qui présentera un important paramètre de dispersion chromatique à la longueur d'onde signal. L'effet est représenté sur la figure lb. Dans la fibre de transport F1 au voisinage de 1,5 m, les composantes haute fréquence (longueur d'onde courte) ont un temps de propagation plus court que celui associé aux composantes basse fréquence (grandeur longueur d'onde). Avec l'emploi de la fibre de compensation F2, qui présente l'effet inverse > on observe qu'il est possible de retarder les composantes haute fréquence par rapport aux composantes basse fréquence, ce qui revient donc à réaliser la fonction recherchée. On remarque que la fibre de compensation doit présenter un minimum de dispersion chromatique situé au-delà de celle associée à l'onde signal. Ceci peut donc être obtenu en employant des fibres de silice à fort dopage en oxyde. Afin d'obtenir des pertes en transmission les plus faibles possibles, on considère que le dopant le plus adapté était l'oxyde de germanium GeO2. Afin de rendre compte de l'effet de compensation, on a évalué la dispersion chromatique sur une liaison à fibres optiques composée d'un tronçon de transport F1 suivi d'une fibre de compensation F2. La fibre de transport F1 est par exemple caractérisée par - une concentration molaire de 4 % de GeO2, ce qui correspond à une différence d'indice de 6 - une longueur d'onde de coupure (pour l'obtention du régime monomode) située à 1,2 pm, - un rayon de coeur de 3,5 Mm auquel correspond un rayon de mode de 4,73 ijm à 1,55 pm. Le coefficient de dispersion matériau à 1,55 Mm est de 20,42 ps/nm km ce qui donne un coefficient de dispersion chromatique de 13,3ps/nm km. La dispersion chromatique en extrémité de 25 km de fibre constituant le premier tronçon de la liaison est de 331,4ps/nm. Selon l'invention, on ajoute, par exemple, une fibre optique dont le rôle est de réaliser l'opération de compensation. On analyse alors l'influence des paramètres optogéométriques sur les caractéristiques de dispersion chromatique. Pour cela, on modifie la position de la longueur d'onde de coupure du régime monomode et la concentration en dopant. L'évolution des coefficients de dispersion matériau et chromatique en fonction de la concentration en GeO2 est Concentration en GeO2 M matériau M chromatique (% molaire) (ps/nm km) (ps/nm km) 10 18,2 -2,86 20 14,57 -27,48 50 13,26 -100,5 lorsque la fibre présente une longueur d'onde de coupure pour le régime monomode située à 1,1 Mm. Sur les figures 2a-c sont représentées les évolutions des coefficients de dispersion chromatique en fonction de la longueur de fibre L et de la position spectrale du régime monomode. La figure 2a correspond au cas où la fibre de compensation est constituée de SiO2 et de 10 % de GeO2. Les figures 2b et 2c correspondent à la même représentation pour des fibres ayant respectivement une concentration en GeO2 de 20 et 50 %. La différence d'indice calculée est respectivement de 2,97 10 '2 et 7,3 10 2 à 1,55 pm. Une comparaison des résultats présentés sur les figures 2a et 2b montre que l'emploi d'une fibre optique à faible différence d'indice ne permet pas de réaliser une opération de compensation efficace. Par contre, l'emploi d'un niveau de dopage suffisant (50 % par exemple) en GeO2 permet de compenser en totalité la dispersion accumulée sur le tronçon de 25 km en utilisant 3 à 4 km de fibre de compensation. On voit dans cet exemple de réalisation qu'une totale compensation impose d'employer une fibre à fort dopage et la longueur d'onde de coupure du régime bimodal doit être éloignée par rapport à la longueur d'onde signal. Dans ces conditions, le rayon du mode à la longueur d'onde signal est faible et les pertes au raccordement, dues à la forte désadaptation modale entre fibres, augmentent. Si l'on compare différentes structures de fibres entre elles en vue de réduire d'un facteur 1/3 la dispersion spectrale obtenue au bout des 25 km du tronçon de transport F1, on obtient concentration x coupure Longueur de fibre rendement de dopant (%) (lun) compensatrice (km) couplage entre fibres (%) 50 1,1 1,1 28 20 1,1 4 56 Ces pertes de couplage entre fibres peuvent être minimisées en utilisant une optique conique en bout de fibre de compensation (couplage adiabatique). Cette optique peut être réalisée directement par fusion et étirement de l'extrémité de la fibre et/ou par apport d'une micro-optique de couplage. L'excès de pertes à 1,55 Mm lié à la concentration de dopant est de 0,084dB/km pour 20 % de GeO2 et de 0,13dB/km pour 50 %. Ces valeurs sont à comparer et à ajouter aux pertes ultimes pouvant être obtenues sur des fibres à base de silice et qui sont de 0,16dB/km. Selon un autre exemple de réalisation on utilise une fibre à base de matériaux fluorés. Par exemple le matériau ZBLAN composé des espèces fluorées ZrF4, BaF2, LaF3, NaF, Ait3, dans les proportions en fluor respectivement de 53, 20, 4, 20 et 3 % permet de réaliser des fibres optiques transparentes dans le proche IR avec un minimum de dispersion matériau situé au-delà de 1,55 Mm. Sur les figures 3a et 3b on a porté l'évolution du coefficient de dispersion chromatique (en ps/nm) en fonction de la distance de propagation dans la fibre de compensation. Les fibres considérées présentent des rayons de coeurs différents (en modifiant la position spectrale de la longueur d'onde de coupure) pour une différence d'indice fixée (1 10 ou 2 10 ). Pour une fibre ayant une différence d'indice de 2 10 et une longueur d'onde de coupure située à 1,1 Cun, nous observons une diminution d'un tiers du coefficient de dispersion avec l'emploi de 3,74 km de fibre. Le rendement de couplage entre fibres est dans ce cas de 91 %. D'autres compositions peuvent également être employées (ZBL : ZrF4 - BaF2 - LaF3, HBL : BaF2 - LaF3 - HfF4 - YF3 > ZBG ZrF4 - BaF2 - Caf3,...). Selon l'invention on prévoit également de concevoir la fibre de compensation F2 sous la forme d'une fibre amplificatrice. Dans ce cas la fibre est dopée de telle façon que recevant un faisceau de pompe elle fournisse une amplification du signal transmis par le système (provenant de F1). Des exemples d'amplificateurs à fibres sont connus dans les documents suivants - "Gain and noise characterisation of erbium doped fibre amplifiers" de G.R. WALKER, Electronics Letters, 25th April 1991, Vol. 27, N"9, - "Simultaneous transmission and amplification of 622 Mbits/s, 10 FM NTSC video channels and 3 FM HDTV components using a high gain erbium doped fibre amplifier", de H.E.TOHME et al, Electronics Letters, 2nd August 1990, Vol. 26, n"16, - "Optimum design of erbium fibre amplifiers pumped with sources emitting at 1480 nm", de J.H. POVLSEN et al, Electronics Letters, 16th August 1990, Vol. 26, n"17. L'invention prévoit de combiner dans une même fibre une structure d'amplificateur à fibre et une structure de fibre à compensation de dispersion telle que décrite précédemment. Par exemple une fibre ZBL peut être dopé avec une terre 3+ rare. Par exemple, avec Er qui présente un maximum d'émission de fluorescence à 1,54. m. On réalise ainsi un amplificateur à fibre optique qui permet de compenser partiellement les effets de dispersion chromatique qui se développent dans la fibre de transport amont. En fonction de la longueur de fibre devant être employée, il est nécessaire d'optimiser le dopage. Ainsi, pour une longueur de l'ordre du kilomètre la concentration en Er3 dans le matériau ZBLAN est comprise entre 5 et loppm. Afin de minimiser les pertes par absorption à la longueur d'onde signal, le dopage est réalisé sur une partie du coeur sous la forme d'une couronne (selon une section droite de la fibre). En partant du centre du coeur de la fibre vers la périphérie du coeur, le dopage n'est donc pas homo gène. De préférence, c'est la périphérie du coeur qui est dopée. On optimise ainsi l'intégrale de recouvrement avec l'onde de pompe provenant d'une diode laser émettant vers 0,98 Hm. En ef fet, puisque le régime monomode est atteint à partir de 1,1 m à 0,98 pm la fibre autorise la propagation des modes LPîî. Ceux-ci sont caractérisés par une distribution modale du champ qui pré sente une annulation azimuthale. Les figures 4a et 4b décrivent la géométrie et le recouvrement spatial entre l'onde de pompe et la partie dopée (source de gain d'amplification). Selon l'invention, on prévoit également de réaliser une fibre optique amplificatrice ainsi conçue par dopage d'une couronne du coeur de la fibre sans que la fibre soit obligatoirement réalisée en fibre de compensation de dispersion. Les figures 5a et 5b illustrent le pompage du système d'am plification et de compensation. Une fibre amorce F3 est insérée entre la fibre amplificatrice-compensatrice F2 et l'extrémité de la fibre de transport F1. Cette fibre constitue un coupleur qui permet d' injecter simultanément dans la fibre 3 une onde de pompe (diode laser DLP) et l'onde signal. Ce coupleur peut être réalisé directement sur la fibre amplificatrice et de compensation (figure 5b). L'amplification peut être répartie en employant deux ondes de pompage injectées aux deux extrémités de la fibre d'amplification F2 (figure 5c). On voit donc que l'invention permet de compenser localement la dispersion chromatique accumulée après qu'une onde optique se soit propagée dans une fibre optique et de prévoir une ampli fication simultanée. La fibre adaptée pour compenser la dispersion chromatique qui se développe naturellement sur des fibres standard sont actuellement utilisées lorsque l'onde optique est spectralement localisée à 1,55 Mm. L'association de cette opération de compensation avec la fonction amplification, exploitant les propriétés d'émission de la terre rare Er dans un matériau fluoré, permet d'accroître la portée d'un système tout en améliorant les caractéristiques de réception. Ce concept peut être étendu à la fenêtre spectrale 2 pm en utilisant des fibres à verre fluoré dopées Ho Il est bien évident que la description qui précède n'a été fournie qu'à titre d'exemple et que d'autres variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. Notamment, les exemples de longueurs d'ondes de fonctionnement ou les matériaux utilisés n'ont été fournis uniquement que pour illustrer la description. REVENDICATIONS 1. Système de transmission optique comprenant au moins un premier milieu de transmission (F1) présentant un coefficient de dispersion chromatique déterminée pour une longueur d'onde nominale de fonctionnement, caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième milieu de transmission (F2) couplé optiquement au premier milieu de transmission, présentent, à la même longueur d'onde nominale de fonctionnement, un coefficient de dispersion chromatique de signe opposé au coefficient de transmission du premier milieu de transmission. 2. Système de transmission selon la revendication 1, caractérisé en ce que, à la longueur d'onde nominale de fonctionnement le coefficient de dispersion du deuxième milieu de transmission a une valeur absolue nettement supérieure à celui du premier milieu de transmission. 3. Système de transmission selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier milieu de transmission (F1) est une première fibre optique et le deuxième milieu de transmission (F2) est une deuxième fibre optique. 4. Système de transmission selon la revendication 3, caractérisé en ce que la première fibre optique est en SiO2 dopé et la deuxième fibre optique est en SiO2 fortement dopée en oxyde de germanium. 5. Système de transmission selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dopage en germanium est supérieur à 30 %. 6. Système de transmission selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première fibre (F2) est en silice et la deuxième fibre contient des espèces fluorées. 7. Système de transmission selon la revendication 3, caractérisé en ce que la deuxième fibre optique est dopée à l'aide d'une terre rare et qu'elle comporte des moyens de couplage per mettant d'injecter une onde de pompe de façon à faire fonctionner cette deuxième fibre optique en fibre amplificatrice. 8. Système de transmission selon la revendication 7, caractérisé en ce que la deuxième fibre optique est dopée avec de 1' erbium. 9. Système de transmission selon la revendication 3, caractérisé en ce que la deuxième fibre (F2) est couplée à la première fibre (F1) par une optique de couplage. 10. Système de transmission selon la revendication 3, caractérisé en ce que la deuxième fibre (F2) possède au moins une extrémité réalisée sous forme conique. 11. Système de transmission selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dopage du coeur de la fibre est réalisé sous la forme d'une couronne. 12. Système de transmission optique comprenant au moins une fibre optique, caractérisé en ce que ladite fibre optique comprend au moins une zone dopée tout long de la fibre réalisée sous la forme d'une couronne vue en section droite de la fibre. 13. Système de transmission selon la revendication 12, caractérisé en ce que la fibre optique est dopée à la périphérie du coeur.