Brevet FR2751098A1 — publié le 19980116

Arrière plan de l'invention 1. Domaine de l'invention La présente invention concerne les communications optiques et, plus particulièrement, un amplificateur à fibres optiques dopées à l'erbium comportant deux sources de pompage fournissant en sortie une puissance de pompage permettant d'exciter un signal lumineux dans deux directions, dans le but de les utiliser alternativement ou simultanément. 2. Description de la technique concernée D'une façon générale, lorsqu'un signal électrique est converti en un signal lumineux dans un étage d'émission, puis envoyé à un emplacement voulu par une fibre optique, c'est à dire un milieu de transmission, l'amplificateur à fi- bres optiques dopées à l'erbium (AFODE) amplifie le signal lumineux affaibli à une distance prédéterminée, de manière à le transmettre sous la forme d'un signal stable. L'AFODE est installé dans l'étage d'émission/réception dans le but d'ef- fectuer une amplification et une pré-amplification de puis- sance. En se référant à la figure 1 qui représente un amplificateur à simple pompage conventionnel, le connecteur d'entrée connecte une fibre optique introduite de l'exté- rieur, à la fibre optique interne de l'AFODE. Une prise de séparation 2 destinée à séparer un signal lumineux introduit par la fibre optique connectée par le connecteur d'entrée à un taux prédéterminé, divise le signal lumineux d'entrée, puis applique les signaux divisés à l'entrée d'une photodiode 12 et d'un isolateur optique 4. Ici, la photodiode surveille l'amplitude du signal lumineux d'entrée. L'isolateur optique 4 comporte une borne d'entrée et une borne de sortie, de ma- nière à laisser passer le signal lumineux allant de la borne d'entrée à la borne de sortie, à l'intérieur d'une plage de longueurs d'onde prédéterminée, et coupe le signal lumineux revenant en arrière de la borne de sortie vers la borne d'en- trée. En opérant ainsi, l'isolateur optique 4 coupe le débit inverse d'émission spontanée amplifiée (ESA) générée de l'arrière de la fibre optique dopée à l'erbium (FODE) 16, de manière à éviter que le signal lumineux d'entrée soit distor- du. Le signal lumineux obtenu à la sortie de l'isolateur op- tique 4 est appliqué à l'entrée d'un multiplexeur à division de longueur d'onde (MDLO) 6. Le MDLO 6 reçoit deux longueurs d'onde différentes du signal lumineux par deux ports d'entrée différents, et les fournit en sortie par une seule extrémité de fibre optique. Ici, la longueur d'onde du signal lumineux d'entrée est de 1550 nm, la longueur d'onde de la source de lumière d'excitation étant de 980 ou 1480 nm. Par l'intermé- diaire de la borne de sortie du MDLO 6, la source de lumière d'excitation à une longueur d'onde de 980 nm, et le signal lumineux d'entrée à 1550 nm, sont appliqués à la FODE 16. La FODE 16 est réalisée en ajoutant de l'erbium (élément de numéro 68), métal de terre rare, à une fibre op- tique, l'erbium ayant un taux d'absorption élevé à des lon- gueurs d'ondes spécifiques telles que 800 nm, 980 nm et 1480 nm. La FODE amplifie le signal lumineux d'entrée, en ayant un spectre qui diverge avec une largeur de bande d'en- viron 30 nm à une longueur d'onde prédéterminée (1550 nm). L'extrémité de sortie de la FODE 16 est connectée à un isola- teur optique 8 qui est ensuite connecté à une prise 10. La prise est connectée à la fibre optique d'étage de sortie par le connecteur de sortie. Ici, l'isolateur optique 8 coupe le signal lumineux réfléchi en arrière par la prise ou la con- nexion du connecteur de sortie. La prise 10 reçoit le signal lumineux fourni en sortie par l'isolateur optique 8, et le divise en un signal lumineux fourni en sortie à la fibre optique connectée par le connecteur de sortie, et un signal lumineux destiné à sur- veiller le signal lumineux de sortie. Le signal lumineux de surveillance est surveillé par une photodiode 14. Pour l'am- plificateur à simple pompage, on utilise deux types de procé- dés qui comprennent une structure de pompage vers l'avant ou directe pour fournir une source de lumière d'une longueur d'onde d'excitation, par le MDLO 6, à l'étage avant de la FODE 16, et une structure de pompage inverse pour fournir la source de lumière d'une longueur d'onde d'excitation, par le MDLO 6, à l'étage arrière de la FODE 16. Ici, pour l'AFODE, la structure de pompage directe utilise une lumière de pom- page de 980 nm avec un gain élevé et un faible bruit. On l'utilise habituellement pour un préamplificateur placé juste avant l'étage de réception dans des moyens de communications. La structure de pompage inverse est principalement utilisée pour un amplificateur de puissance placé juste avant l'étage d'émission dans les moyens de communications, car elle ampli- fie un grand signal pour augmenter la saturation de sortie, en utilisant une ESA inverse dont l'intensité est relative-10 ment grande comparativement à l'ESA directe. Pour augmenter l'amplitude de la puissance de sortie et le gain, les deux types de structures à simple pom- page sont mélangées, comme représenté à la figure 2, pour former une structure à double pompage. Cependant, l'amplifi- cateur à double pompage utilisé pour augmenter la puissance de sortie, nécessite deux diodes laser de pompage chères, ce qui augmente le coût total de l'AFODE. Dans le cas o les deux diodes laser de pompage sont utilisées en même temps, leur durée de vie de service devient plus courte que lors- qu'elles sont utilisées alternativement. De plus, si elles sont utilisées dans un réseau de transmission à grande vi- tesse par l'intermédiaire de l'AFODE conventionnel, le gain du signal lumineux transmis est réduit du fait des pertes de dispersion. Résumé de l'invention La présente invention a pour but de créer un AFODE qui soit conçu pour amplifier un signal lumineux d'en- trée en un signal lumineux de sortie élevé, même avec une seule diode laser de pompage dans une structure d'amplifica-30 teur à double pompage. Un autre but de la présente invention est de créer un AFODE qui soit conçu pour compenser la réduction de gain due aux pertes de dispersion, qui constitue une diffi- culté dans un réseau de transmission à grande vitesse, en installant en outre une fibre optique de compensation de dis- persion. A cet effet, l'invention concerne un amplifica- teur à fibres optiques dopées à l'erbium comportant deux sources de pompage fournissant en sortie une puissance de pompage permettant d'exciter un signal lumineux dans deux di- rections, dans le but de les utiliser alternativement ou si- multanément, caractérisé en ce qu'il comprend: * une fibre optique dopée à l'erbium destinée à recevoir un signal lumineux d'excitation introduit par les sources de pompage et à amplifier un signal lumineux émis introduit par un étage d'entrée; À un multiplexeur à division de longueurs d'onde avant ou di- rect placé dans l'étage en avant de la fibre optique dopée à l'erbium, pour recevoir, à deux bornes d'entrée, le si- gnal lumineux émis d'entrée et le signal lumineux d'excita- tion introduit par les sources de pompage, et pour introduire les deux signaux, dans le sens avant ou direct, dans la fibre optique dopée à l'erbium; * un multiplexeur à division de longueurs d'onde inverse pla- cé dans l'étage en arrière de la fibre optique dopée à l'erbium, pour introduire en sens inverse, dans la fibre optique dopée à l'erbium, le signal lumineux d'excitation introduit par les sources de pompage, le multiplexeur rece- vant également le signal lumineux émis amplifié par la fi- bre optique dopée à l'erbium, et le fournissant en sortie à un étage de sortie; et * un coupleur optique destiné à séparer le signal lumineux d'excitation introduit par les sources de pompage, et à le fournir en sortie au multiplexeur à division de longueurs d'onde direct ou inverse. Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'amplificateur comprend en outre: * un isolateur optique monté dans l'étage en avant du multi- plexeur à division de longueurs d'onde direct, et un isola- teur optique monté dans l'étage en arrière du multiplexeur à division de longueurs d'onde inverse, de manière à couper le débit inverse de lumière d'avancement; * une prise de séparation placée dans l'étage en avant de l'isolateur optique direct, et une prise de séparation pla- cée dans l'étage en arrière de l'isolateur optique inverse, pour séparer le signal lumineux émis, dans un rapport pré- déterminé, de manière à détecter l'amplitude du signal lu- mineux d'entrée émis; et * une photodiode destinée à recevoir les signaux lumineux de surveillance séparés provenant des deux prises de sépara- tion, et à détecter l'amplitude du signal lumineux d'entrée émis. L'invention concerne également un amplificateur à fibres optiques dopées à l'erbium, comportant deux sources de pompage fournissant en sortie une puissance de pompage per- mettant d'exciter un signal lumineux dans deux directions, dans le but de les utiliser alternativement ou simultanément, caractérisé en ce qu'il comprend: * une première fibre optique dopée à l'erbium destinée à re- cevoir un signal lumineux d'excitation introduit par les sources de pompage, et à amplifier en sens inverse un si- gnal lumineux émis d'entrée provenant d'un étage d'entrée; * un multiplexeur à division de longueurs d'onde inverse pla- cé dans l'étage en arrière de la fibre optique dopée à l'erbium, pour introduire en sens inverse, dans la fibre otique dopée à l'erbium, le signal lumineux d'excitation introduit par les sources de pompage, le multiplexeur rece- vant également le signal lumineux émis amplifié par la fi- bre optique dopée à l'erbium, et le fournissant en sortie à un étage suivant; * une fibre optique de compensation de dispersion placée en arrière du multiplexeur à division de longueurs d'onde in- verse et destinée à compenser les pertes produites du fait des caractéristiques de dispersion du signal lumineux émis; a un multiplexeur à division de longueurs d'onde avant ou di- rect placé dans l'étage en arrière de la fibre optique de compensation de dispersion, pour recevoir, à deux bornes d'entrée, le signal lumineux émis d'entrée et le signal lu- mineux d'excitation introduit par les sources de pompage, et pour fournir les deux signaux, dans la direction di- recte, à une seconde fibre optique dopée à l'erbium; et * la seconde fibre optique dopée à l'erbium étant placée en arrière du multiplexeur à division de longueurs d'onde di- rect, et servant à amplifier, dans la direction directe, le signal lumineux émis avec le signal lumineux d'excitation introduit. L'amplificateur comprend en outre: un isolateur optique installé dans l'étage en avant du mul- tiplexeur à division de longueurs d'onde direct, et un iso- lateur optique installé dans l'étage en arrière du multiplexeur à division de longueurs d'onde inverse, de ma- nière à couper le débit inverse de lumière d'avancement; * une prise de séparation placée dans l'étage en avant de l'isolateur optique direct, et une prise de séparation pla- cée dans l'étage en arrière de l'isolateur optique inverse, pour séparer le signal lumineux émis, dans un rapport pré- déterminé, de manière à détecter l'amplitude du signal lu- mineux d'entrée émis; et * une photodiode pour recevoir les signaux lumineux de sur- veillance séparés provenant des deux prises de séparation, et pour détecter l'amplitude du signal lumineux d'entrée émis. Brève description des dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de modes de réalisation re- présentés sur les dessins annexés dans lesquels: -la figure 1 est un schéma par blocs d'un amplificateur à simple pompage conventionnel; - la figure 2 est un schéma par blocs d'un amplificateur à double pompage conventionnel; - la figure 3 est un schéma par blocs d'une forme de réalisa- tion d'un AFODE selon la présente invention; et - la figure 4 est un schéma par blocs d'un AFODE comportant une fibre optique de compensation de pertes de dispersion, selon la présente invention. Description détaillée des modes de réalisation préférentiels Dans la description qui suit de la présente in- vention, des fonctions ou constructions associées bien con- nues ne seront pas décrites en détail si elles ne peuvent rendre clairement l'esprit de l'invention. A la figure 3, un connecteur d'entrée connecte une fibre otique introduite de l'extérieur, avec une fibre optique interne de l'AFODE. Une prise de séparation 44 desti- née à diviser dans un rapport prédéterminé un signal lumineux introduit via la fibre optique connectée par le connecteur d'entrée, divise le signal lumineux d'entrée émis pour l'ap- pliquer à une première photodiode 56 et à un premier isola- teur optique 46. Ici, la première photodiode 56 surveille l'amplitude du signal lumineux d'entrée, et le premier isola- teur optique 46 comporte une borne d'entrée et une borne de sortie, de manière à couper le débit inverse d'émission spon- tanée amplifiée (ESA) généré par l'arrière de la FODE 62, et évite que le signal lumineux d'entrée soit distordu. Le si- gnal lumineux émis qui passe à travers le premier isolateur optique 46, est introduit et amplifié dans l'amplificateur 64. L'amplificateur 64 comprend un premier MDLO 48, un second MDLO 50, deux diodes laser de pompage 60 et 61, un coupleur optique 58, et une FODE 63. Le premier MDLO 48 reçoit le signal lumineux d'entrée émis provenant du premier isolateur 46, et un signal lumineux d'excitation séparé par le coupleur optique 58, de manière à les fournir en sortie vers l'avant, c'est à dire dans le sens direct, par l'intermédiaire d'une extrémité de la FODE 63. Le second MDLO 50, qui reçoit une source de lu- mière d'excitation séparée provenant du coupleur optique 58, la fournit en sens inverse par l'intermédiaire de l'extrémité de la FODE 63, et fournit en sortie le signal lumineux émis finalement amplifié par la FODE. La FODE 63, située entre le premier et le second MDLO, reçoit le signal lumineux d'exci- tation pompé dans les deux directions par l'intermédiaire des deux multiplexeurs, amplifie le signal lumineux émis, et le fournit en sortie au second MDLO. Ici, la longueur d'onde du signal lumineux d'entrée émis est de 1550 nm, tandis que la longueur d'onde de la source de lumière d'excitation est de 980 nm ou 1490 nm. Le coupleur optique 58 distribue la source de lu- mière pompée, provenant de la diode laser de pompage 6, au premier et au second MDLO, dans le rapport de 50:50 ou 40:60 ou 30:70. L'extrémité de sortie de la FODE 63 est connectée à l'isolateur optique 52 qui est ensuite connecté à la prise 54. Cette prise est connectée à la fibre d'extrémité de sor- tie par le connecteur de sortie. Ici, l'isolateur optique 52 coupe le signal lumineux réfléchi en sens inverse par la prise ou la connexion du connecteur de sortie. La prise 54 reçoit le signal lumineux de sortie provenant de l'isolateur optique 52, et le divise en un signal lumineux de sortie ap- pliqué à la fibre connectée par l'intermédiaire du connecteur de sortie, et un signal lumineux destiné à surveiller le si- gnal lumineux de sortie. Le signal lumineux de surveillance est surveillé par une photodiode 62. Selon le fonctionnement de l'AFODE construit comme décrit ci-dessus, le signal lumineux émis de 1550 nm, introduit par le connecteur d'entrée, est appliqué à l'entrée de l'isolateur optique 46 par l'intermédiaire d'une prise de séparation 44. Ici, l'intensité du signal lumineux émis, sé- paré par la prise de séparation 44, est détectée par la pho- todiode 56. Le signal lumineux émis passant à travers l'isolateur optique 46, est introduit comme une première en- trée du premier MDLO 48. L'intensité du signal lumineux à 980 Nm ou 1480 nm pompé alternativement par les deux diodes laser de pompage 60 et 61, est distribuée dans un rapport prédéterminé, et appliquée comme une autre entrée du premier MDLO 48. Le signal lumineux émis et le signal lumineux d'ex- citation introduits par l'intermédiaire des deux bornes d'en- trée du premier MDLO 48, sont introduits dans le sens direct à l'arrière de la FODE 63, et amplifiés une première fois; Le signal lumineux émis est amplifié une seconde fois par la source de lumière d'excitation introduite par l'intermédiaire du second MDLO 50 connecté derrière la FODE, et fourni en sortie à l'isolateur optique de derrière 52 par l'intermé- diaire du second MDLO 50. Ici, le signal lumineux d'excita- tion appliqué à l'entrée du second MDLO 50, est un signal distribué dans un rapport prédéterminé par le coupleur opti- que 58. Par suite, le signal lumineux émis, appliqué à l'en- trée de l'isolateur optique à l'arrière 52, est finalement fourni en sortie par l'intermédiaire du connecteur de sortie. La photodiode 62 connectée à la prise de séparation de der- rière 54, détecte l'intensité du signal lumineux émis, ampli- fié et fourni en sortie. La figure 4 représente un autre mode de réalisa- tion de la présente invention consistant en un AFODE muni d'une fibre de compensation de dispersion (FCD). Le signal lumineux émis à 1550 nm introduit par l'intermédiaire du con- necteur d'entrée, est appliqué à l'entrée de l'isolateur op- tique 68 par l'intermédiaire de la prise de séparation 66. Ici, l'intensité du signal lumineux émis, séparé par la prise de séparation 66, est détectée par la photodiode 94. Le si- gnal lumineux émis, passant à travers l'isolateur optique 68, est appliqué à l'entrée de la FODE 88. Le signal lumineux émis est amplifié une première fois en sens inverse par la source de lumière d'excitation introduite par l'intermédiaire du premier MDLO 70 connecté derrière la FODE, puis fourni en sortie à la fibre de compensation de dispersion (FCD) 92 par l'intermédiaire du premier MDLO 70. Le signal lumineux d'ex- citation appliqué à l'entrée du premier MDLO 70, est un si- gnal distribué dans un rapport prédéterminé par le coupleur optique 80. le signal lumineux émis appliqué à l'entrée de la FCD 92, est compensé pour les pertes de dispersion, puis in- troduit comme une première entrée du second MDLO 72, et comme une autre entrée de ce second MDLO 72 après avoir été distri- bué, dans un rapport prédéterminé, par le coupleur optique 80. Le signal lumineux émis et le signal lumineux d'excita- tion introduits par l'intermédiaire des deux bornes d'entrée du second MDLO 72, sont appliqués vers l'avant, c'est à dire dans le sens direct, à la FODE 90 de derrière, de manière à être amplifiés une seconde fois et fournis en sortie. Le si- gnal lumineux émis, amplifié et fourni en sortie, est appli- qué à l'entrée de l'isolateur optique de derrière 76, puis finalement fourni en sortie par l'intermédiaire du connecteur de sortie. La photodiode 86 connectée à la prise de sépara- tion de derrière 78, surveille l'intensité du signal lumineux émis, amplifié et fourni en sortie. Comme décrit ci-dessus, la présente invention fournit un AFODE structuré pour amplifier un signal lumineux à un niveau de sortie élevé, même avec une diode laser de pompage unique dans l'amplificateur à double pompage, ce qui augmente la puissance de sortie et permet de concevoir un am- plificateur optique ayant les performances demandées par un5 utilisateur. Grâce à l'utilisation de la fibre de compensa- tion de dispersion prévue en supplément, on compense la ré- duction de gain par pertes de dispersion, réduction de gain qui constitue une difficulté à résoudre dans un réseau de transmission à grande vitesse. 1! R E V E N D I C A T IONS 1 ) Amplificateur à fibres optiques dopées à l'erbium (64) comportant deux sources de pompage (60, 61) fournissant en sortie une puissance de pompage permettant d'exciter un si- gnal lumineux dans deux directions, dans le but de les utili- ser alternativement ou simultanément, caractérisé en ce qu'il comprend: * une fibre optique dopée à l'erbium (63) destinée à recevoir un signal lumineux d'excitation introduit par les sources de pompage (60, 61), et à amplifier un signal lumineux émis introduit par un étage d'entrée; * un multiplexeur à division de longueurs d'onde avant ou di- rect (48) placé dans l'étage en avant de la fibre optique dopée à l'erbium (63), pour recevoir, à deux bornes d'en- trée, le signal lumineux émis d'entrée et le signal lumi- neux d'excitation introduit par les sources de pompage (60, 61), et pour introduire les deux signaux, dans le sens avant ou direct, dans la fibre optique dopée à l'erbium (63); * un multiplexeur à division de longueurs d'onde inverse (50) placé dans l'étage en arrière de la fibre optique dopée à l'erbium (63), pour introduire en sens inverse, dans la fi- bre optique dopée à l'erbium (63), le signal lumineux d'ex- citation introduit par les sources de pompage (60, 61), le multiplexeur (50) recevant également le signal lumineux émis amplifié par la fibre optique dopée à l'erbium (63), et le fournissant en sortie à un étage de sortie; et * un coupleur optique (58) destiné à séparer le signal lumi- neux d'excitation introduit par les sources de pompage (60, 61), et à le fournir en sortie au multiplexeur à division de longueurs d'onde direct (48) ou inverse (50). ) Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: * un isolateur optique (46) monté dans l'étage en avant du multiplexeur à division de longueurs d'onde direct (48), et un isolateur optique (52) monté dans l'étage en arrière du multiplexeur à division de longueurs d'onde inverse (50), de manière à couper le débit inverse de lumière d'avance- ment; * une prise de séparation (44) placée dans l'étage en avant de l'isolateur optique direct (46), et une prise de sépara- tion (54) placée dans l'étage en arrière de l'isolateur op- tique inverse (52), pour séparer le signal lumineux émis, dans un rapport prédéterminé, de manière à détecter l'am- plitude du signal lumineux d'entrée émis; et * une photodiode (56, 62) destinée à recevoir les signaux lu- mineux de surveillance séparés provenant des deux prises de séparation, et à détecter l'amplitude du signal lumineux d'entrée émis. 3 ) Amplificateur à fibres optiques dopées à l'erbium, com- portant deux sources de pompage (81, 82) fournissant en sor- tie une puissance de pompage permettant d'exciter un signal lumineux dans deux directions, dans le but de les utiliser alternativement ou simultanément, caractérisé en ce qu'il comprend: * une première fibre optique dopée à l'erbium (88) destinée à recevoir un signal lumineux d'excitation introduit par les sources de pompage (81, 82), et à amplifier en sens inverse un signal lumineux émis d'entrée provenant d'un étage d'en- trée; * un multiplexeur à division de longueurs d'onde inverse (70) placé dans l'étage en arrière de la fibre optique dopée à l'erbium (88), pour introduire en sens inverse, dans la fi- bre otique dopée à l'erbium (88), le signal lumineux d'ex- citation introduit par les sources de pompage, le multiplexeur (70) recevant également le signal lumineux émis amplifié par la fibre optique dopée à l'erbium (88), et le fournissant en sortie à un étage suivant; * une fibre optique de compensation de dispersion (92) placée en arrière du multiplexeur à division de longueurs d'onde inverse (70) et destinée à compenser les pertes produites du fait des caractéristiques de dispersion du signal lumi- neux émis; * un multiplexeur à division de longueurs d'onde avant ou di- rect (72) placé dans l'étage en arrière de la fibre optique de compensation de dispersion (92), pour recevoir, à deux bornes d'entrée, le signal lumineux émis d'entrée et le si- gnal lumineux d'excitation introduit par les sources de pompage, et pour fournir les deux signaux, dans la direc- tion directe, à une seconde fibre optique dopée à l'erbium (90); et * la seconde fibre optique dopée à l'erbium (90) étant placée en arrière du multiplexeur à division de longueurs d'onde direct (72), et servant à amplifier, dans la direction di- recte, le signal lumineux émis avec le signal lumineux d'excitation introduit. 40) Amplificateur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: * un isolateur optique (76) installé dans l'étage en avant du multiplexeur à division de longueurs d'onde direct (72), et un isolateur optique (68) installé dans l'étage en arrière du multiplexeur à division de longueurs d'onde inverse (70), de manière à couper le débit inverse de lumière d'avancement; * une prise de séparation (78) placée dans l'étage en avant de l'isolateur optique direct (72), et une prise de sépara- tion (66) placée dans l'étage en arrière de l'isolateur op- tique inverse (70), pour séparer le signal lumineux émis, dans un rapport prédéterminé, de manière à détecter l'am- plitude du signal lumineux d'entrée émis; et * une photodiode (94, 86) pour recevoir les signaux lumineux de surveillance séparés provenant des deux prises de sépa- ration (66, 78), et pour détecter l'amplitude du signal lu- mineux d'entrée émis.