Brevet FR2769139A1 — publié le 19990402

La présente invention concerne un nouveau type d'appareil d'amplificateur optique, tout particulièrement mais de façon non exclusive un appareil d'amplificateur optique destiné à une utilisation dans un réseau à fibres optiques. Les fibres optiques sont en train de pénétrer rapidement dans les réseaux d'accès d'abonnés pour une distribution de services CATV (télévision câblée). De nos jours, des stations de tête de réseau CATV assurent des services distribués sur des nombres importants d'abonnés ( > 1000) dans des réseaux présentant un grand nombre de bifurcations dans la partie des fibres ainsi que dans la partie des coaxiaux. La demande actuelle pour des services interactifs tels que le télétravail et que la vidéotéléphonie haute qualité est en train d'augmenter mais elle nécessite une bande passante large et une liaison bidirectionnelle entre les serveurs et les clients. Afin de mettre en oeuvre ces services interactifs dans des réseaux CATV, il est nécessaire de développer des techniques et des dispositifs HDWDM (multiplexage/démultiplexage par division en longueur d'onde haute définition). L'un de ces dispositifs essentiels est un amplificateur optique multilongueur d'onde bidirectionnel qui doit compenser les pertes de propagation et de bifurcation le long de la liaison pour à la fois des signaux montants et descendants. Aucun de ces dispositifs n'est présentement disponible. La présente invention propose une nouvelle architecture d'amplificateur optique comportant deux branches optiques parallèles, l'une pour amplifier des signaux numériques et l'autre pour amplifier des signaux analogiques. Les deux branches optiques sont parallèles en ce sens qu'elles sont connectées en parallèle de sorte que certains signaux passent par l'une des branches tandis que d'autres passent, éventuellement simultanément, par l'autre. Des modes de réalisation préférés de cet appareil d'amplificateur optique permettent une amplification simultanée d'un signal CATV analogique et d'une pluralité de signaux numériques bidirectionnels multiplexés, compensant les pertes de propagation et de bifurcation le long de la liaison pour à la fois les signaux montants et descendants. Il est particulièrement préférable que l'appareil d'amplificateur optique de la présente invention utilise des éléments d'amplificateur à fibre dopée à l'erbium (EDFA). Typiquement, les longueurs d'ondes manipulées par la voie numérique dans l'appareil d'amplificateur optique sont dans la région de longueur d'ondes plus courtes (par exemple de 1530 à 1545 nm) du spectre de gain EDFA tandis que les longueurs d'ondes manipulées par la voie analogique de l'amplificateur optique sont dans la région de longueurs d'ondes plus longues (de 1550 à 1560 nm). La modulation en fréquence du signal analogique entraîne souvent une variation de fréquence du laser émetteur. L'utilisation de la bande 1550-1560 nm pour l'amplification du signal analogique permet de réduire la distorsion du signal analogique due à cette variation de fréquence du laser émetteur, ceci grâce au fait que la pente de gain de l'élément EDFA est plus douce dans cette partie du spectre. Selon un mode de réalisation de l'invention, la branche optique qui manipule les signaux numériques comporte des première et seconde parties d'amplification (avantageusement mises en oeuvre sous forme de bobines EDFA respectives) et un filtre d'aplatissement de gain agencé entre ces deux parties d'amplification. A l'aide de cet agencement, la position du filtre d'aplatissement de gain peut être choisie de telle sorte que le meilleur compromis puisse être atteint entre un bruit faible et une puissance de sortie optimum pour à la fois des canaux montants et descendants. I1 est également préférable que deux lasers soient utilisés pour piloter le moyen d'amplification dans les voies analogique et numérique parallèles. De cette façon, le gain de chaque voie peut être commandé indépendamment de celui de l'autre. Il est particulièrement préférable que chacun des lasers pilote un moyen d'amplification respectif dans la voie numérique tandis que seulement l'un des lasers pilote le moyen d'amplification dans la voie analogique. De préférence, les voies numérique et analogique parallèles sont jointes ensemble au niveau de leurs extrémités par des dispositifs de multiplexeur/démultiplexeur à division en longueur d'onde. Non seulement ces dispositifs permettent de séparer et de recombiner en fonction des souhaits les signaux numérique et analogique mais ils réduisent également l'interférence de multiples voies induite par la diaphonie et ils améliorent les figures de bruit des deux sections analogique et numérique par filtrage de l'émission spontanée amplifiée. I1 est également souhaitable qu'un isolateur optique soit inclus dans la branche analogique lorsque cette dernière manipule des signaux unidirectionnels. Afin de favoriser la compacité de l'appareil pris dans sa globalité, il peut être utile d'intégrer avec l'appareil d'amplificateur optique de la présente invention le premier séparateur de signal du réseau de distribution. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au vu de la description qui suit de modes de réalisation préférés afférents présentés à titre d'exemple et illustrés sur les figures annexées, dans lesquelles la figure 1 montre la construction générale d'un appareil d'amplificateur optique selon un premier mode de réalisation de la présente invention; et la figure 2 montre la construction générale d'un appareil d'amplificateur optique selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention. Cornme représenté sur la figure 1, I'appareil d'amplificateur optique de la présente invention inclut des première et seconde branches optiques parallèles 1 et 2. La première branche parallèle 1 est adaptée pour amplifier une pluralité de signaux numériques bidirectionnels multiplexés tandis que la seconde branche optique est adaptée pour amplifier un signal analogique unidirectionnel, plus particulièrement un signal d'une bande relativement large. Les branches optiques parallèles sont jointes ensemble au niveau de leurs extrémités par des dispositifs de multiplexage/démultiplexage par division en longueur d'onde (WDM) 3 et sont pilotées par des première et seconde diodes laser 4A et 4B. Dans le présent exemple, les diodes laser 4A et 4B fonctionnent à 980 nm et présentent une puissance de sortie de 120 mW. Les dispositifs WDM 3 sont des séparateurs de bande de largeur de bande intermédiaire et ils servent à séparer et à recombiner le canal analogique et les canaux numériques. Ils réduisent également la diaphonie induite par une interférence de multiples voies (MPI) et ils améliorent les figures de bruit des deux sections en filtrant l'émission spontanée amplifiée. Selon ce mode de réalisation de l'invention, les branches parallèles de l'appareil d'amplificateur utilisent des amplificateurs à fibre dopée à l'erbium 5, 6 et 7. La première branche parallèle 1 fonctionne dans la bande de longueurs d'ondes plus courtes (de 1530 à 1545 nm) du spectre de gain de l'erbium tandis que la seconde branche parallèle 2 fonctionne dans la bande de longueurs d'ondes plus longues (de 1550 à 1560 nm) du spectre de gain de l'erbium. L'utilisation de la bande de longueurs d'ondes plus longues permet une réduction de la distorsion du signal analogique générée par la variation en fréquence du laser émetteur (lorsque ce dernier est modulé de façon interne), comme expliqué ci-avant. La première branche optique 1 est bidirectionnelle (c'est-à-dire qu'il n'y a pas d'isolateur optique). Cette branche optique 1 est utilisée pour amplifier en même temps les canaux numériques montant et descendant et, à l'aide d'un espacement de canal de 0,8 nm (100 GHz) entre deux canaux montant et descendant multiplexés adjacents, jusqu'à 8 canaux numériques (par exemple 4 canaux montants et 4 canaux descendants) peuvent être reçus dans la fenêtre de 1535 à 1541 nm. L'intercalement des longueurs d'ondes des signaux montants et descendants permet de réduire les effets possibles de mélange à quatre ondes entre signaux co-propageants, tout en n'utilisant qu'un domaine spectrale restreint de la courbe de gain. De préférence, une amplification est réalisée dans la première branche optique en utilisant deux sections d'amplification (ici, des bobines EDFA 5 et 6), un filtre d'aplatissement de gain 8 étant disposé entre elles. Le filtre d'aplatissement de gain sert à réduire l'ondulation de gain entre les canaux numériques différents. En utilisant deux sections d'amplification 5 et 6, une position optimum pour le filtre d'aplatissement 8 peut être trouvée, ce qui permet l'obtention d'un compromis approprié entre une performance de bruit et une puissance de sortie optimum pour à la fois les canaux montants et descendants. Dans le présent exemple, les deux sections d'amplification 5 et 6 sont respectivement formées par une première bobine EDFA de 5,5 m de long et par une seconde bobine EDFA de 12 m de long. Dans le mode de réalisation présent, la diode laser de pompage 4A sert à exciter les première et deuxième sections d'amplification 5 et 6 de la première branche optique via un coupleur 13 et des dispositifs WDM 1 1 et 12 respectifs. La seconde branche optique 2 est unidirectionnelle et lorsque cet appareil d'amplificateur optique est utilisé dans un réseau distribuant des services CATV et numériques, elle sert à amplifier le signal CATV analogique. Cette branche inclut une unique section d'amplification mise en oeuvre selon cet exemple en tant que bobine EDFA d'une longueur de 15,5 m. Un isolateur optique 14 est inclus dans cette seconde branche optique 2 de manière à réduire des effets de réflexion en retour. Le laser à pompage 4B pilote l'amplification dans la seconde branche optique 2 via un dispositif de couplage WDM 15. La configuration de pompage décrite ci-avant est avantageuse puisque le gain ou la puissance de sortie de chacune des branches parallèles peut être commandé indépendamment de celui ou de celle de l'autre branche. Par conséquent, dans une application CATV, la puissance de sortie du signal CATV peut être modifiée en modifiant le courant d'excitation du laser à pompage 4B sans altérer la puissance de sortie des canaux numériques. De façon similaire, s'il était souhaitable de modifier la puissance de sortie de la branche numérique seule, le courant d'excitation du laser à pompage 4A seul pourrait être modifié. Un appareil d'amplificateur optique selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention est représenté sur la figure 2. Le deuxième mode de réalisation possède plusieurs éléments semblables à ceux du premier mode de réalisation et, donc, les mêmes références ont été utilisées pour les désigner. Le deuxième mode de réalisation se différencie du premier en deux de ses aspects. Premièrement, comme on peut le voir sur la figure 2, I'appareil d'amplificateur optique du deuxième mode de réalisation intègre le premier séparateur 20 du réseau de distribution. Dans cet exemple, le séparateur intégré 20 consiste en un séparateur 1 > Deuxièmement, I'agencement assurant le pompage dans le deuxième mode de réalisation n'est pas le même que dans le premier mode de réalisation. Considérant l'agencement de pompage de la figure 2 plus en détail, on voit que même si deux diodes lasers de pompages 24A, 24B sont employés toujours pour exciter les branches optiques parallèles, I'agencement de ces diodes lasers a été modifié. Plus particulièrement, dans le présent mode de réalisation, les deux lasers à pompage en copropagation 24A et 24B sont couplés au deux sections d'amplification de la première branche optique 1 via des dispositifs de couplage WDM 11 et 12 respectifs. Le laser à pompage 24A est couplé au premier dispositif de couplage WDM 11 via un coupleur de connexion intermédiaire 3 dB qui sépare la puissance laser produite par le laser de pilotage 24A de sorte qu'une partie de celle-ci soit fournie à la seconde branche optique parallèle 2 via un autre dispositif de couplage WDM 15. Selon l'agencement de pompage de la figure 2 aussi, le gain ou la puissance de sortie de chacune des branches optiques parallèles peut être commandé indépendamment de celui ou de celle de l'autre branche. Si on souhaite changer la puissance de sortie de la branche optique 2 il convient de modifier la puissance de sortie de la diode laser 24A et d'effectuer un ajustement compensatoire de la puissance de sortie de la diode laser 24B. Si on souhaite changer la puissance de sortie de la branche optique 1, il suffit d'ajuster la puissance de sortie de la diode laser 24B seule. La performance de l'appareil d'amplificateur optique représenté sur la figure 2 est maintenant illustrée en se référant aux résultats de certaines expérimentations qui ont été réalisées. Toutes les expérimentations décrites ont été réalisées à température ambiante et à une puissance de pompage constante de 130 mW pour le premier laser à pompage 24A et une puissance de pompage de 80 mW pour le second laser à pompage 24B. Mesures pour la branche analogique La figure de bruit et la puissance de sortie de la branche d'amplification analogique 2 ont fait l'objet d'investigations en balayant la longueur d'onde du signal d'entrée depuis 1550 nm jusqu'à 1560 nm (selon un pas de I nm). Pour chaque longueur d'onde, la puissance d'entrée a été établie successivement à -5 dBm, 0 dBm et + 5 dBm, représentatives de points de fonctionnement possibles de l'amplificateur. Dans ces conditions, la figure de bruit et la puissance de sortie étaient comme indiqué dans le tableau I ci-après. Tableau 1 Pour(dBm)(*) NF(dB)(*) Cain (dB)(*) #CATV# #CATV# #CATV# [1550-1560] [1550-1560] [1550-1560] Pin=-5 dBm 6,5 dBm 4,3 dB 11,5 dB Pin = 0 dBm 6,8 dBm 4,8 dB 6,8 dB Pin = +5 dBm 7,1 dBm 5,7 dB 2,1 dB La pente du gain de la branche d'amplification analogique a fait l'objet d'investigations en utilisant deux signaux et le premier signal était utilisé pour saturer le gain à la longueur d'onde du signal CATV tandis que le second signal était utilisé en tant que signal de sonde faible pour surveiller le gain autour de la longueur d'onde CATV. Le faisceau de saturation était successivement établi à 1550, 1555 et 1560 nm avec une puissance d'entrée de saturation établie à - 5 dBm, 0 dBm et + 5 dBm pour chaque longueur d'onde. Pour chacune de ces conditions de saturation, la longueur d'onde de faisceau de sonde a été balayée autour de la longueur d'onde CATV avec une puissance d'entrée de -35 dBm et la pente locale du gain a été évaluée selon des largeurs de 1 nm. Les résultats sont présentés dans le tableau 2 ci-après. Tableau 2 Pente de gain AG/AR (dBm/nm) pour #CATV# [1550-1560] Pin = -5 dBm 0,lAG/AX Pin = 0 dBm 0,1 I1 est intéressant de noter au vu du tableau 2 que la pente du gain dans chaque cas est inférieure à 0,25 dB/nm, ce qui est typique de fibres dopées à l'erbium du type II. Cette architecture convient, donc, à une utilisation pour des applications CATV, la valeur maximale tolérée de la pente de gain étant de 0,25 dB/nm dans de telles applications. Mesures pour la branche numérique En ce qui concerne la direction descendante, la figure de bruit, le gain et la planéité du gain ont fait l'objet d'investigations selon trois étapes et en utilisant trois lasers. Pour toutes les mesures, un signal de saturation montant à 1538 nm (longueur d'onde moyenne des canaux numériques) pour une puissance d'entrée optique de -13 dBm (puissance montante totale maximum transportée par les quatre canaux montants à l'entrée du séparateur 1x4) a été injecté dans l'amplificateur par l'intermédiaire de l'un des connecteurs de sortie 1x4. Tout d'abord, le gain descendant et la figure de bruit ont été mesurés à l'aide d'un signal descendant à 1538 nm pour diverses valeurs de puissance d'entrée de saturation : -7, -10-20, -30 dBm (voir tableau 3). En second lieu, un signal de sonde descendant à -13 dBm à 1535 nm a été ajouté au niveau du port d'entrée de l'amplificateur et le signal à 1538 nm a été réglé à -8,2 dBm de telle sorte que la puissance d'entrée descendante totale restait constante à -7 dBm. Pour finir, le signal à 1535 nm a été remplacé par un signal à -13 dBm à 1541 nm. Pour ces conditions de fonctionnement, il peut être postulé que l'inversion moyenne le long de l'amplificateur aboutit à une diminution monotone du gain depuis 1535 jusqu'à pratiquement 1541 nm même en présence du filtre d'aplanissement de gain. L'ondulation du gain est alors simplement donnée par la différence de gain entre ces longueurs d'onde (voir tableau 4). Tableau 3 Gain net (dB) NF(dB) Pin = -7 dBm 16,3 5,6 Pin = -10 dBm 18,9 5,8 Pin = -20 dBm 24,7 5,4 Pin = -30 dBm 28,4 5,3 Tableau 4 Gmax Gmin #G=Gmax-Gmin NF (&commat; 1535 nm) (&commat; 1541 nm) ##[1535-1541] 17,3 dB 16,2 dB 1,1 dB 5,9 dB En ce qui concerne la direction montante, des mesures ont été réalisées de la même façon que pour la direction descendante. Par conséquent, pour toutes les mesures, un signal de saturation descendant à 1538 nm pour une puissance d'entrée optique de -7 dBm a été injecté dans l'amplificateur par l'intermédiaire du connecteur d'entrée. Tout d'abord, le gain montant et la figure de bruit ont été mesurés à l'aide d'un signal montant à 1538 nm pour diverses valeurs de puissance d'entrée de saturation : -13, -20, -30 dBm (voir tableau 5). En second lieu, un signal de sonde descendant à -19 dBm à 1535 nm a été ajouté au niveau d'un port de sortie de l'amplificateur et le signal à 1538 nm a été réglé à -14,25 dBm de telle sorte que la puissance d'entrée montante totale restait constante à -13 dBm. Pour finir, le signal à 1535 nm a été remplacé par un signal à -19 dBm à 1541 nm. L'ondulation de gain est donnée comme préalablement (voir tableau 6). Tableau 5 Gain net (dB) NF (dB)(* Pin=-13dBm 16,1 7 Pin = -20 dBm 16,5 6,7 Pin = -30 dBm 20,5 2,9 Tableau 6 Gmax Gamin AG=Gmax-Gmïn Nu(*) (&commat; 1535 nm ) ((0 1541 nm) B(X[1535-1541] 18,5 dB 16,1 dB 2,4 dB 6,5 dB On peut voir à partir des résultats expérimentaux présentés ci-avant que l'appareil d'amplificateur optique de la présente invention présente des caractéristiques de performance qui sont hautement appropriées pour une application dans un réseau distribuant des signaux CATV et numériques multiplexés. Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à deux modes de réalisation particuliers de celle-ci, I'invention n'est pas limitée aux détails d'implémentation de ces deux modes de réalisation. Au contraire, de nombreuses modifications et adaptations de l'appareil peuvent être réalisées. Par exemple, les valeurs citées des longueurs d'ondes, des puissances et des courants d'excitations des diodes lasers sont données à titre d'exemples, d'autres valeurs sont possibles. De même, les valeurs citées des longueurs des éléments EDFA sont données à titre purement illustratif, les longueurs appropriées doivent être ajustées en fonction de l'application et de la performance souhaitées. De manière semblable, des agencements de pompage autres que ceux des figures 1 et 2 sont possibles. Par exemple, dans le mode de réalisation de la figure 1, on peut utiliser à la place du seul laser d'excitation 4A et du coupleur 3dB, 1x2 13 pour exciter les deux sections d'amplification 5 et 6 de la branche numérique une paire de diodes lasers et un coupleur 2x2. De cette manière, en prévoyant une certaine redondance on protège la branche numérique d'amplification des pannes éventuelles (en cas de panne de l'une de la paire de diodes lasers, la fonction d'amplification est toujours assurée, avec des pertes de 3 dB seulement). REVENDICATIONS 1. Appareil d'amplificateur optique, notamment pour une utilisation dans des réseaux distribuant des signaux via des fibres optiques, l'appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend: des première et seconde branches optiques parallèles (1, 2), la première branche optique (1) incluant un moyen d'amplificateur optique (5, 6) pour amplifier des signaux numériques et la seconde branche optique (2) incluant un moyen d'amplificateur optique (7) pour amplifier des signaux analogiques. 2. Appareil d'amplificateur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'amplificateur optique (5, 6) de la première branche optique (1) est adapté pour amplifier des signaux numériques bidirectionnels et en ce que le moyen d'amplificateur optique (7) de la seconde branche optique (2) est adapté pour amplifier des signaux analogiques unidirectionnels. 3. Appareil d'amplificateur optique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen d'amplificateur optique (5, 6) de la première branche optique (1) est adapté pour amplifier des signaux numériques multiplexés à division en longueur d'onde. 4. Appareil d'amplificateur optique selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le moyen d'amplificateur optique (5, 6) de la première branche optique (1) comprend des première (5, 11) et seconde (6, 12) parties d'amplification et un filtre d'aplanissement de gain (8) agencé entre lesdites première et seconde parties d'amplification. 5. Appareil d'amplificateur optique selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend des premier et second lasers à pompage (4A, 4B) couplés aux première et seconde branches optiques (1, 2) de telle sorte que le gain ou la puissance de sortie de chacune des branches optiques parallèles puisse être commandé(e) indépendamment de celui ou de celle de l'autre branche optique. 6. Appareil d'amplificateur optique selon la revendication 5, caractérisé en ce que le premier laser à pompage (24A) est couplé à la seconde branche optique (2) et au premier moyen d'amplification (5) de la première branche optique (1) tandis que le second laser à pompage (24B) est couplé au second moyen d'amplification (6) de la première branche optique (1). 7. Appareil d'amplificateur optique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le moyen d'amplification ou les parties d'amplification est/sont constitué(es) par des amplificateurs à fibre dopée à l'erbium (EDFA), la première branche optique (1) utilise une région de longueur d'onde plus courte (le bleu) du spectre de gain EDFA et la seconde branche optique (2) utilise une région de longueur d'onde plus longue (le rouge) du spectre de gain EDFA. 8. Appareil d'amplificateur optique selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite région de longueur d'onde plus courte du spectre EDFA concerne la plage de longueurs d'onde de 1530 à 1545 nm et la région de longueur d'onde plus longue du spectre de gain EDFA concerne la plage de longueurs d'onde de 1550 à 1560 nm. 9. Appareil d'amplificateur optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les extrémités des première et secondes branches optiques parallèles (1, 2) sont jointes ensemble via des dispositifs de multiplexeur à division en longueur d'onde (WDM) (3). 10. Appareil d'amplificateur optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la seconde branche optique (2) inclut un isolateur optique (14). 11. Appareil d'amplificateur optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un séparateur (20) connecté au niveau de la sortie de l'appareil. 12. Appareil d'amplificateur optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la seconde branche optique (2) est adaptée pour amplifier un signal CATV.