Brevet FR2771221A1 — publié le 19990521

AMPLIFICATEUR A FIBRE OPTIQUE DESCRIPTION La présente invention concerne un amplificateur à fibre optique et, plus particulièrement, un amplificateur à fibre optique qui obtient des caractéristiques d'amplification à gain plat en associant en cascade des fibres optiques dopées avec différents matériaux. La transmission à multiplexage en longueur d'onde est apparue dans la deuxième moitié des années 90 comme moyen pour augmenter la capacité de transmission et -1-' efficacité- en multil-exantil--et en.transet tan.t des- signaux optiques de différentes longueurs d'onde. Ainsi, un amplificateur à fibre optique convenant à la transmission à multiplexage en longueur d'onde est15 nécessaire. Cependant, un amplificateur à fibre dopée à l'erbium très utilisé actuellement présente des degrés d'amplification et des facteurs de bruit différents pour des longueurs d'onde différentes. La figure 1 est un schéma fonctionnel d'un amplificateur à fibre dopée à l'erbium classique, comprenant un premier isolateur 100, une source laser de pompage 102, un coupleur sélectif en longueur d'onde 104, une fibre dopée à l'erbium 106 et un second isolateur 108. Leurs fonctionnements vont maintenant être décrits. D'abord, la source laser de pompage 102 génère une lumière de pompage d'une longueur d'onde centrale de 980 nm. Le coupleur sélectif en longueur d'onde 104 couple la lumière de pompage au signal lumineux d'une longueur d'onde de bande de 1500 nm qui entre via son port d'entrée. La fibre dopée à l'erbium 106 amplifie le signal lumineux en fonction de la lumière de pompage incidente provenant du coupleur sélectif en longueur d'onde 104. C'est-à-dire que la lumière de pompage excite les ions d'erbium à l'état fondamental dans la fibre dopée à l'erbium, et le signal lumineux est amplifié par l'émission stimulée de l'erbium excité. Le signal optique amplifié est sorti via le second isolateur 108. Les premier et second isolateurs 100 et 108 évitent que le signal lumineux ne soit réfléchi par des éléments, tels que des connecteurs d'entrée et de sortie 110 et 112, et ne retourne dans la fibre dopée à l'erbium. Cependant, un tel amplificateur à fibre optique classique présente un problème en ce que le signal lumineux de différentes-l différentes aux différentes longueurs d'onde. Afin de résoudre le problème ci-dessus, l'art antérieur utilise des filtres ou modifie la configuration des fibres dopées à l'erbium. Cependant, l'utilisation des filtres augmente les coûts et augmente la taille de l'amplificateur à fibre optique classique. Les procédés décrits ci-dessus aboutissent à une réduction du gain, étant donné qu'ils nivellent les puissances de sortie en se basant sur la puissance minimale parmi les puissances de sortie aux différentes longueurs d'onde. L'utilisation des fibres dopées à l'erbium dopées avec un matériau présentant une composition de base différente, tel que le fluorure, élargit une bande d'aplatissement de gain, mais réduit les gains et présente des caractéristiques instables par rapport à l'environnement. Afin de résoudre les problèmes ci-dessus, la présente invention a pour but de proposer un amplificateur à fibre optique ayant un gain plat en associant en cascade des fibres dopées à l'erbium auxquelles des matériaux différents sont ajoutés. Par conséquent, pour atteindre le but ci-dessus, on propose un amplificateur à fibre optique caractérisé en ce qu'il comprend: une première fibre optique dopée à l'erbium et au phosphore pour amplifier le signal lumineux excité par l'erbium; une seconde fibre optique reliée à une extrémité de la première fibre optique, dopée à l'erbium et à l'aluminium, et ayant une pente de spectre.de. -gai-.--.-posée --à -a'-première fibre optique conformément à l'inversion de population de l'erbium, pour amplifier le signal lumineux sorti par la première fibre optique; une source laser de pompage reliée à l'autre extrémité de la première fibre optique, pour exciter l'erbium des première et seconde fibres optiques; et un coupleur de lumière pour coupler la lumière de pompage provenant de la source laser de pompage au signal lumineux et pour sortir la lumière résultante vers la première fibre optique. L'objet et l'avantage ci-dessus de la présente invention deviendront plus évidents lors de la description détaillée d'un mode de réalisation préféré de celle-ci avec référence aux dessins joints, sur lesquels: la figure 1 est un schéma fonctionnel d'un amplificateur à fibre optique classique; la figure 2 est un schéma fonctionnel d'un amplificateur à fibre optique selon la présente invention; les figures 3A et 3B montrent des spectres de gains conformément aux' distributions d'inversion de population des première et seconde fibres dopées à l'erbium de la figure 2; la figure 4 est un graphique montrant les gains et les facteurs de bruit en fonction des longueurs d'onde lorsque les signaux lumineux de quatre canaux sont multiplexés et appliqués à l'entrée de l'amplificateur à fibre optique de la figure 2; la figure 5 est un graphique montrant les gains et les facteurs de bruit mesurés alors que les puissances des signaux lumineux pour différents canaux varient tandis que les puissances..des_lumir-es de_ pompage sont- maintenues constantes; la figure 6 est un graphique montrant les gains et les facteurs de bruit mesurés alors que les puissances des lumières de pompage sont modifiées tandis que les puissances des signaux lumineux pour quatre canaux sont maintenues constantes; la figure 7 est un schéma fonctionnel d'un amplificateur à fibre optique comportant une source laser de pompage bidirectionnelle, selon la présente invention; la figure 8 est un graphique montrant les gains et les facteurs de bruit en fonction des longueurs d'onde lorsque les signaux lumineux de quatre canaux sont incidents sur l'amplificateur à fibre optique de la figure 7; la figure 9 est un graphique montrant les gains et les facteurs de bruit mesurés alors que les puissances des signaux lumineux pour différents canaux sont modifiées tandis que les puissances des lumières de pompage sont maintenues constantes; et la figure 10 est un graphique montrant les gains et les facteurs de bruit mesurés alors que les puissances des lumières de pompage sont modifiées tandis que les puissances des signaux lumineux pour quatre canaux sont maintenues constantes. En référence à la figure 2, un amplificateur à fibre optique comprend un premier isolateur 200, une source laser de pompage 202, un coupleur sélectif en longueur d'onde 204 connecté au premier isolateur 200 et à la source laser de pompage 202, une fibre dopée à l'erbium tampon 206, des première et seconde fibres dopées à l'erbium 208 et 210 et un second isolateur 212. - La première fibre dopée à l'erbium 208 est une fibre optique dopée à l'erbium (Er) et au phosphore (P), ou une fibre optique dopée à l'erbium (Er), à l'aluminium (Al) et au phosphore (P). La fibre dopée à l'erbium tampon 206 et la seconde fibre dopée à l'erbium 210 sont des fibres optiques dopées à l'erbium et à l'aluminium. La fibre dopée à l'erbium tampon 206 n'est pas nécessairement une fibre optique dopée à l'erbium et à l'aluminium. Il est préférable que la fibre dopée à l'erbium tampon 206 soit une fibre optique qui peut réduire la perte au niveau de la jonction provoquée par la différence de diamètre de champ de mode entre le coupleur sélectif en longueur d'onde 204 et la première fibre dopée à l'erbium 208. La fibre dopée à l'erbium tampon 206 est courte afin de ne pas affecter les caractéristiques de gain de l'amplificateur entier. Les concentrations d'erbium et d'aluminium de la fibre dopée à l'erbium tampon 206 peuvent être égales à ou différentes de celles de la seconde fibre dopée à l'erbium 210. La fibre dopée à l'erbium tampon 206 peut ne pas être utilisée étant donné qu'elle réduit la perte au niveau de la jonction, mais n'a aucun effet sur l'aplatissement du gain de l'amplificateur à fibre optique. Leurs fonctionnements vont maintenant être décrits. D'abord, plusieurs signaux lumineux de canaux sont incidents sur le coupleur sélectif en longueur d'onde 204 via le premier isolateur 200 qui empêche que l'émission spontanée amplifiée provenant de chaque fibre dopée à l'erbium ne circule vers l'arrière et ne soit réfléchie. Les signaux lumineux incidents sont couplés à un laser de pompage provenant de la source laser de pompage 202, telle qu'une diode laser, pour -fou-rn-ir-une puissance-- ----ayant -.--une------l. .ncieur- -.d-onde centrale de 980 nm et nécessaire pour l'amplification, par le coupleur sélectif en longueur d'onde 204. Les signaux lumineux sont amplifiés par les première et seconde fibres dopées à l'erbium 208 et 210. La première fibre dopée à l'erbium 208 amplifie davantage de lumières d'une longueur d'onde relativement courte que d'autres signaux lumineux de longueurs d'onde comprises entre 1540 nm et 1560 nm. La seconde fibre dopée à l'erbium 210 amplifie davantage de lumières d'une longueur d'onde relativement grande que d'autres signaux lumineux de longueurs d'onde comprises entre 1540 nm et 1560 nm. Ceci résulte des caractéristiques des spectres de gain qui dépendent des longueurs d'onde des première et seconde fibres dopées à l'erbium 208 et 210. La figure 3A montre un spectre de gain en fonction de la distribution de l'inversion de population de la première fibre dopée à l'erbium 208. La figure 3B montre un spectre de gain en fonction de la distribution de l'inversion de population de la seconde fibre dopée à l'erbium 210. Chacun de ces spectres de gain est montré alors que le rapport d'inversion de population augmente par unités de 0,1 entre 0 et 1. Sur les figures 3A et 3B, les caractéristiques de gain des fibres dopées à l'erbium aux différentes longueurs d'onde varient avec le rapport d'inversion de population. C'est-à-dire que, sur la figure 3A, le gain de la première fibre dopée à l'erbium 208 devient plus faible avec l'augmentation de la longueur d'onde entre 1540 nm et 1560 nm lorsque le rapport d'inversion de population est de 0,6 ou plus. Lorsque le rapport d'inversion de population est de 0,5 ou moins, son gain devient plus grand avec l'augmentation de la longueur d'onde. Cependant, lorsque le gain augmente alors que la longueur d'onde devi- ent--pl-s-grade----lpremière fibre dopée à l'erbium 208 n'est pas souhaitable comme amplificateur, étant donné que son gain par longueur unitaire est de 0,5 dB/m ou moins, c'est-à-dire que son niveau d'amplification est bas. La première fibre dopée à l'erbium 208 convient donc lorsque le rapport d'inversion de population est de 0,6 ou plus. Dans ce cas, le gain d'amplification de la première fibre dopée à l'erbium 208 devient plus élevé dans les courtes longueurs d'onde plutôt que dans les grandes longueurs d'onde. Sur la figure 3B, le gain de la seconde fibre dopée à l'erbium 210 diminue alors que la longueur d'onde devient plus grande, dans la même plage de longueurs d'onde que sur la figure 3A, lorsque le rapport d'inversion de population est de 0,8 ou plus. Lorsque le rapport d'inversion de population est de 0,7 ou moins, le gain augmente alors que la longueur d'onde devient plus grande. Ainsi, afin d'augmenter le gain aux grandes longueurs d'onde relativement réduit par la première fibre dopée à l'erbium 208, il est préférable que le rapport d'inversion de population de la seconde fibre dopée à l'erbium 210 soit de 0,7 ou moins. Si les première et seconde fibres dopées à l'erbium 208 et 210 sont toutes deux utilisées à des valeurs entre 0,6 et 0,7 de rapports d'inversion de population, la puissance du laser de pompage devient plus élevée et la puissance du signal lumineux devient plus faible dans la première fibre dopée à l'erbium 208, entraînant l'augmentation du rapport d'inversion de population. D'autre part, dans la seconde fibre dopée à l'erbium 210, la puissance de la lumière de pompage devient plus faible et la puissance du signal lumineux devient plus élevée, entraînant ainsi une diminution du rapport d'inversion de population. Un amplificateur à fibre optique présentant un--gai-n--ota-ltemen-t-pl-at--peut--ainsi être obtenu. Après avoir été amplifié, le signal lumineux est sorti via le second isolateur 212 afin d'empêcher la circulation vers l'arrière de l'émission spontanée vers l'avant. La figure 4 est un graphique montrant les gains et les facteurs de bruit en fonction des longueurs d'onde lorsque les signaux lumineux de quatre canaux ayant, respectivement, des longueurs d'onde de 1542 nm, 1548 nm, 1554 nm et 1560 nm sont appliqués à l'amplificateur à fibre optique de la figure 2. Les variations du gain et du facteur de bruit sont aplaties à 0,5 dB près aux longueurs d'onde comprises entre 1542 nm et 1560 nm. Les numéros de référence 401 et 402 représentent, respectivement, les facteurs de bruit et les gains. La figure 5 est un graphique montrant les gains et les facteurs de bruit mesurés alors que les puissances des signaux lumineux de quatre canaux décrits ci-dessus sont passées de -20 dBm à -11 dBm tandis que les puissances des lumières de pompage sont maintenues constantes. Comme montré sur la figure 5, les variations du gain et du facteur de bruit (NF) sont aplaties à 0,5 dB près. Les numéros de référence 501 et 502 représentent, respectivement, le facteur de bruit et le gain. La figure 6 est un graphique montrant les gains et les facteurs de bruit mesurés alors que les puissances des lumières de pompage sont passées de 70 mW à 130 mW tandis que les puissances des signaux lumineux des quatre canaux sont maintenues constantes. Comme montré sur la figure 6, les variations du gain et du facteur de bruit (NF) sont aplaties à 0,5 dB près. Les numéros de référence 601 et 602 représentent, respectivement, le facteur de bruit et le gain. La- figure 7 est un schéma fonctionnel d'un amplificateur à fibre optique configuré en ajoutant une seconde source laser de pompage 701 et un second coupleur sélectif en longueur d'onde 702 à l'amplificateur à fibre optique de la figure 2 pour réaliser un pompage bidirectionnel. Les éléments restants sont identiques à ceux de la figure 2. La figure 8 est un graphique montrant les gains et les facteurs de bruit en fonction des longueurs d'onde lorsque les signaux lumineux de quatre canaux ayant des longueurs d'onde de 1542 nm, 1548 nm, 1554 nm et 1560 nm sont incidents sur l'amplificateur à fibre optique de la figure 7. Comme montré sur la figure 8, les variations du gain et du facteur de bruit sont aplaties à 0,5 dB près aux longueurs d'onde comprises entre 1542 nm et 1560 nm. Les numéros de référence 801 et 802 représentent, respectivement, les facteurs de bruit et les gains. La figure 9 est un graphique montrant les gains et les facteurs de bruit mesurés alors que les puissances des signaux lumineux des quatre canaux décrits ci- dessus sont passées de -20 dBm à -11 dBm tandis que les puissances des lumières de pompage sont maintenues constantes. Comme montré sur la figure 9, les variations du gain et du facteur de bruit (NF) sont aplaties à 0,5 dB près. Les numéros de référence 901 et 902 représentent, respectivement, le facteur de bruit et le gain. La figure 10 est un graphique montrant les gains et les facteurs de bruit mesurés alors que les puissances des lumières de pompage sont passées de 140 mW à 260 mW tandis que les puissances des signaux lumineux des quatre canaux sont maintenues constantes. Comme montré - - -- - sur--a -figure ro, les vait ns du gain et du facteur de bruit (NF) sont aplaties à 0,5 dB près. Les numéros de référence 1001 et 1002 représentent, respectivement, le facteur de bruit et le gain. Lorsque des éléments passifs, tels que des filtres, sont utilisés, l'aplatissement du gain varie avec la puissance du signal lumineux ou avec la puissance de la lumière de pompage. Cependant, la présente invention utilise deux types de fibres dopées à l'erbium présentant des spectres de gain différents, de sorte que le spectre de gain de chacune des fibres dopées à l'erbium varie activement avec la puissance du signal lumineux appliqué à l'entrée ou avec la puissance de la lumière de pompage. Ainsi, un gain totalement plat peut être maintenu. l1 REVEND I CATIONS 1. Amplificateur à fibre optique caractérisé en ce qu'il comprend: une première fibre optique dopée à l'erbium et au phosphore (208) pour amplifier le signal lumineux excité par l'erbium; une seconde fibre optique (210) reliée à une extrémité de la première fibre optique (208), dopée à l'erbium et à l'aluminium, et présentant une pente de spectre de gain opposée à la première fibre optique (208) conformément à l'inversion de population de l'erbium, pour amplifier le signal lumineux sorti par la première fibre optique (208); une source laser de pompage (202) reliée à l'autre ext.rémi.té de la premi-re--fibre--pt-i4u... 28---po-r-- exciter l'erbium des première et seconde fibres optiques (208, 210); et un coupleur de lumière (204) pour coupler la lumière de pompage provenant de la source laser de pompage (202) au signal lumineux et pour sortir la lumière résultante vers la première fibre optique (208). 2. Amplificateur à fibre optique selon la revendication 1, dans lequel la première ou la seconde fibre optique a un rapport d'inversion de population de l'erbium compris entre 0,6 et 0,7. 3. Amplificateur à fibre optique selon la revendication 1, comprenant en outre une fibre tampon (206) pour relier le coupleur de lumière (204) à la première fibre optique (208) afin de réduire la perte au niveau de la jonction entre la première fibre optique (208) et le coupleur de lumière (204). 4. Amplificateur à fibre optique selon la revendication 3, dans lequel la fibre tampon (206) est une fibre optique dopée à l'erbium et à l'aluminium. 5. Amplificateur à fibre optique selon la revendication 1, comprenant en outre une seconde source laser de pompage (701) reliée à la seconde fibre optique (210) pour augmenter la puissance de la lumière de pompage. 6. Amplificateur à fibre optique selon la revendication 1, dans lequel la première fibre optique (208) est une fibre optique en outre dopée à l'aluminium.