Brevet FR2782851A1 — publié le 20000303

La présente invention concerne un amplificateur à fibres optiques et, plus particulièrement, un amplificateur à fibres optiques à longue bande (1570 nm à 1610 nm), qui peut permettre un rendement de conversion d'énergie amélioré en utilisant l'émission spontanée amplifiée comme source de pompage secondaire. Dans un système de communication optique à multiplexage à division de longueur d'onde (Wavelength Division Multiplexed ou WDM), l'un des soucis technologiques importants est de procurer un amplificateur à fibre dopée à l'erbium (Erbium-Doped Fiber Amplifier ou EDFA) avec un gain aplani dans une large bande. De plus, on s'est préoccupé d'obtenir un amplificateur à fibres optiques destiné à servir dans la longue bande que ne peut pas donner l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium classique. Un des procédés pour obtenir l'amplificateur à fibres optiques à longue bande consiste à utiliser un nouveau matériau pour la fibre optique, tel que la fibre optique à base de tellurite. L'amplificateur à fibres optiques à base de tellurite a des propriétés satisfaisant aux exigences de l'amplificateur à fibres optiques à longue bande, mais a des spectres de gain irréguliers, et, également, les technologies appropriées n'ont pas été totalement développées pour le mettre en pratique. Outre l'adoption de ces matériaux, l'effort s'est concentré sur l'obtention d'un gain dans une bande au-delà de la bande amplifiée classique (1530 nm à 1560 nm; ci- après désignée sous le nom de "bande C") en utilisant des amplificateurs à fibre dopée à l'erbium à base de silice de différentes structures. De plus, on a proposé une structure appropriée pour induire une inversion de population d'environ 30 à 40% dans la fibre dopée à l'erbium afin d'obtenir l'amplification optique dans une longue bande de 1570 nm à 1610 nm (ci-après désignée sous le nom de "bande L"). A cause d'une relative complexité, ceci agence ces amplificateurs à bande C et à bande L en parallèle de façon à réaliser l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium à base de silice ayant une large bande de gain, supérieure à 80 nm, pour le système de transmission à multiplexage à division de longueur d'onde ayant une grande capacité. Toutefois, cet amplificateur à fibres à bande L souffre d'inconvénients tels qu'il devrait avoir une longue fibre dopée à l'erbium et une puissance de pompage élevée, et que le rendement de conversion d'énergie est faible. Un objet de la présente invention est de procurer un amplificateur à fibres optiques avec un rendement de conversion d'énergie amélioré dans une bande relativement longue. Selon la présente invention, un amplificateur à fibres optiques à longue bande avec un rendement de conversion d'énergie amélioré comprend une première partie de fibre optique comportant une source de lumière de pompage, une deuxième partie de fibre optique connectée à la première partie de fibre optique, la deuxième partie de fibre optique ne comportant pas la source de lumière de pompage, et un circuit de réutilisation pour utiliser une émission spontanée amplifiée (Amplified Spontaneous Emission ou ASE) comme source de lumière de pompage secondaire appliquée à la deuxième partie de fibre optique. De préférence, le circuit de réutilisation comprend un coupleur à multiplexage à division de longueur d'onde connecté entre les première et deuxième parties de fibre optique, et un dispositif de pompage de lumière connecté au coupleur à multiplexage à division de longueur d'onde afin de réaliser la source de lumière de pompage. Les première et deuxième parties de fibre optique se composent de fibre optique dopée à l'erbium. La fibre optique dopée à l'erbium est ajustée de façon à produire un gain dans la bande L. La présente invention va à présent être décrite de façon plus caractéristique en se référant aux dessins joints uniquement à titre d'exemple. La figure 1 est un schéma général destiné à illustrer la structure d'un amplificateur à fibre dopée à l'erbium à base de silice à bande L classique; la figure 2 est un schéma général destiné à illustrer la structure d'un autre amplificateur à fibre dopée à l'erbium à base de silice à bande L classique; la figure 3 est un schéma général destiné à illustrer la structure d'un amplificateur à fibre dopée à l'erbium à base de silice à bande L selon une forme de réalisation préférée de la présente invention; la figure 4 est une vue similaire à la figure 3 selon une autre forme de réalisation préférée de la présente invention; la figure 5 illustre les graphiques comparant entre eux les gains de petits signaux des amplificateurs à fibre dopée à l'erbium des premier à quatrième types selon la variation de la fibre dopée à l'erbium II; la figure 6 illustre les graphiques comparant entre eux les rendements de conversion d'énergie des fibres dopées à l'erbium des premier au quatrième types selon la variation de la fibre dopée à l'erbium II; la figure 7 est un graphique destiné à illustrer la mesure du spectre d'émission spontanée amplifiée arrière suffisant pour améliorer le rendement de conversion d'énergie; et la figure 8 est un graphique destiné à illustrer les indices de bruit des amplificateurs à fibre dopée à l'erbium des premier à quatrième types mesurés avec la longueur de fibre dopée à l'erbium II. L'amplificateur à fibre dopée à l'erbium à base de silice à bande L classique peut avoir la structure de pompage avant montrée en figure 1 (ci-après désignée sous le nom de "amplificateur à fibre dopée à l'erbium du premier type") ou la structure de pompage arrière montrée en figure 2 (ci-après désignée sous le nom de "amplificateur à fibre dopée à l'erbium du deuxième type"). Dans l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium du premier type, la lumière de signal d'entrée 10 est amplifiée par la fibre dopée à l'erbium I de première région de fibre dopée à l'erbium pompée par le dispositif de pompage avant 30 et la fibre dopée à l'erbium II de deuxième région de fibre dopée à l'erbium, et est finalement générée sous la forme de la lumière de signal de sortie 40. Le dispositif de pompage avant 30 est connecté par l'intermédiaire du coupleur à multiplexage à division de longueur d'onde 20. Une paire d'isolateurs optiques 50, 50', sont respectivement agencés aux extrémités d'entrée et de sortie afin de guider la lumière de signal dans une seule direction. Dans l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium du deuxième type, la lumière de signal d'entrée 10 est amplifiée à travers la fibre dopée à l'erbium II de deuxième région de fibre dopée à l'erbium qui n'est pas pompée et la fibre dopée à l'erbium I de première région de fibre dopée à l'erbium pompée par le dispositif de pompage arrière 30', et est finalement générée en tant que lumière de signal de sortie 40. De même, le dispositif de pompage arrière 30' est connecté par l'intermédiaire du coupleur à multiplexage à division de longueur d'onde 20. Une paire d'isolateurs optiques 50, 50', sont respectivement agencés aux extrémités d'entrée et de sortie afin de guider la lumière de signal dans une seule direction. L'amplificateur à fibre dopée à l'erbium à base de silice à bande L inventif peut être réalisé sous deux types, dont l'un consiste à envoyer la lumière de signal d'entrée 12 en premier à travers la deuxième fibre dopée à l'erbium II qui n'est pas pompée, et, ensuite, vers la première fibre dopée à l'erbium I qui est pompée par le dispositif de pompage avant 32, comme montré en figure 3 (ci-après désignée sous le nom de "amplificateur à fibre dopée à l'erbium du troisième type"), et l'autre consiste à envoyer la lumière de signal d'entrée 12 en premier à travers la première fibre dopée à l'erbium I pompée par le dispositif de pompage arrière 32', et ensuite à la deuxième fibre dopée à l'erbium II qui n'est pas pompée, comme montré en figure 4 (ci-après désignée sous le nom de "amplificateur à fibre dopée à l'erbium du quatrième type"). Il est évident que les dispositifs de pompage avant et arrière 32 et 32' sont connectés par l'intermédiaire du coupleur à multiplexage à division de longueur d'onde 22, et qu'une paire d'isolateurs optiques 52 et 52' sont respectivement agencés aux extrémités d'entrée et de sortie afin de guider la lumière de signal dans une seule direction. Pour comparer l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium selon l'invention à l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium classique, les mêmes fibres dopées à l'erbium ont été utilisées dans les premier à quatrième amplificateurs à fibre dopée à l'erbium. Autrement dit, il s'agit de la fibre optique codopée à l'Al disponible dans le commerce ayant le coefficient d'absorption maximal de 4,5 dB/m. De plus, la longueur de la première fibre dopée à l'erbium I est établie à 135 m et la longueur de la deuxième fibre dopée à l'erbium II est changée en séquence de façon à être de 0 m, 5 m, 15 m, 20 m, 25 m et 35 m afin d'analyser le gain de petits signaux en fonction de la longueur de la deuxième fibre dopée à l'erbium II. A titre de comparaison, la longueur d'onde de pompage de 980 nm avec la sortie de mW est couramment utilisée. Le gain de l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium est évalué en utilisant un spectromètre avec un laser à longueur d'onde variable établi avec la longueur d'onde centrale de 1590 nm. Deux types de la lumière de signal d'entrée ont été utilisés, ayant respectivement les intensités de -20 dBm et de 0 dBm afin de mesurer correctement le gain de petits signaux, l'indice de bruit, l'intensité de puissance saturée, et le rendement de conversion d'énergie. La perte d'entrée à l'extrémité d'entrée de la fibre dopée à l'erbium est également correctement mesurée comme ayant moins de 2 dB dans tous les cas. Si l'on se réfère à la figure 5, les amplificateurs à fibre dopée à l'erbium du troisième et du quatrième type inventifs avec des fibres dopées à l'erbium qui ne sont pas pompées ont le gain de petits signaux qui dépend fortement de la longueur de fibre dopée à l'erbium II par rapport aux amplificateurs à fibre dopée à l'erbium des premier et deuxième type classiques. La figure 6 illustre les graphiques des rendements de conversion d'énergie des premier à quatrième amplificateurs à fibre dopée à l'erbium mesurés en fonction de la variation de la longueur de fibre dopée à l'erbium II. Selon les graphiques, le gain de petits signaux et le rendement de conversion d'énergie les plus élevés sont observés dans l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium du troisième type avec la fibre dopée à l'erbium II de 35 m, dont les valeurs sont respectivement de 21,83 dB et de 21,1%. Ces valeurs sont respectivement supérieures de 4 dB et de 11,5% à celles de l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium du premier type, qui montre le pire résultat dans les mêmes conditions de fonctionnement. Ceci indique que l'énergie pompée peut être efficacement utilisée en agençant la fibre dopée à l'erbium II de région de fibre dopée à l'erbium avant ou après la diode de laser de pompage en fonction du fait que l'on réalise le pompage avant ou arrière. L'amélioration du rendement semble être provoquée par l'émission spontanée amplifiée qui est propagée dans la direction opposée à la lumière pompée, réutilisée comme source de pompage de 1550 nm pour la région de fibre dopée à l'erbium qui n'est pas pompée de façon à générer des photons dans une bande de 1600 nm. Afin de prouver que l'émission spontanée amplifiée arrière existante suffit pour améliorer le rendement de conversion d'énergie, le circulateur a été utilisé pour mesurer le spectre d'émission spontanée amplifiée arrière dans l'amplificateur de fibre dopée à l'erbium du premier type sans l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium II. La figure 7 montre le graphique du spectre d'émission spontanée amplifiée arrière mesurée pour le signal d'entrée de 0 dB dans la bande de définition de 0, 2 nm. Dans le graphique, le pic au voisinage de 1590 nm semble être provoqué par la partie rétrodiffusée de Rayleigh du signal d'entrée. La région de longueur d'onde représentant la puissance optique qui n'est pas inférieure à 25dBm/Q,21IDé; à savoir dans la plage de 1520 nm à 1565 nm, présentait une forte émission spontanée amplifiée arrière d'environ 20,59 mW. Lorsque l'on a appliqué à l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium un signal d'entrée plus faible de -20 dBm/0,2 nm, on a observé l'émission spontanée amplifiée arrière plus forte ayant environ 28,9 mW, s'approchant de 30% de la puissance pompée totale. Ce niveau d'émission spontanée amplifiée peut être suffisant pour amplifier la bande L à la lumière des recherches précédentes de l'amplification de bande L ayant une puissance plus faible et un signal de bande de 1550 nm. L'indice de bruit du pompage du deuxième niveau dans la bande de 1550 nm est mesuré pour les premier à quatrième amplificateurs à fibre dopée à l'erbium avec la longueur de la fibre dopée à l'erbium II variant comme montré en figure 8. Comme on s'y attendait, les premier et troisième amplificateurs à fibre dopée à l'erbium de la structure de pompage avant présentent de meilleures performances que les deuxième et quatrième amplificateurs à fibre dopée à l'erbium. En particulier, l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium du deuxième type a un indice de bruit très supérieur à celui des autres types, qui varie également rapidement en fonction de la longueur de la fibre dopée à l'erbium II, ce qui fait qu'il n'est par conséquent pas approprié pour l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium de bande L. Cependant, la raison pour laquelle l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium du troisième type présente de moins bonnes caractéristiques que celui du premier type en ce qui concerne l'indice de bruit est provoquée par la section transversale d'émission importante dans la longueur d'onde d'émission spontanée amplifiée arrière utilisée pour le pompage à 1600 nm dans une partie de fibre dopée à l'erbium qui n'est pas pompée. Bien que l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium du quatrième type comporte une partie de fibre dopée à l'erbium qui n'est pas pompée, la partie arrière de tout l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium comporte une fibre dopée à l'erbium qui n'est pas pompée et qui est insensible à l'indice de bruit, ce qui fait que l'on n'observe pas d'influence en ce qui concerne l'indice de bruit. Par conséquent, l'invention procure un amplificateur à fibre dopée à l'erbium avec un rendement de conversion d'énergie amélioré, qui peut être utilisé pour amplifier le signal optique dans la région de longueur d'onde de 1570 nm à 1610 nm. Bien que l'émission spontanée amplifiée arrière doive être inhibée pour obtenir un gain de signal de bande L suffisant dans la technique existante parce qu'il provoque la saturation de l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium, l'invention utilise l'émission spontanée amplifiée arrière pour servir de source de pompage pour la partie de fibre dopée à l'erbium qui n'est pas pompée, améliorant le gain de signal et le rendement de pompage. A l'exception de la perte de 1 dB concernant l'indice de bruit, le résultat de l'expérience présente une amélioration du rendement de conversion d'énergie de 9,6% à 21,1%, avec une augmentation du gain de petits signaux d'un maximum de 4 dB. De plus, les performances sont améliorées même par un pompage à 1480 nm à travers la partie de fibre dopée à l'erbium qui n'est pas pompée, ce qui indique que la structure d'amplificateur à fibre dopée à l'erbium inventive peut être appliquée à toute longueur d'onde de pompage. Le concept inventif de réutilisation de l'émission spontanée amplifiée arrière comme source de pompage contribuera non seulement à l'amélioration des performances de l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium, mais également au développement d'un amplificateur à fibre dopée à l'erbium à bande L pratique en ce qui concerne l'utilisation économique de la puissance pompée. Bien que la présente invention ait été décrite en relation avec des formes de réalisations spécifiques accompagnées par les dessins joints, les personnes ayant une bonne connaissance de la technique apprécieront le fait que différents changements et modifications peuvent y être apportés sans s'écarter de l'essence de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Amplificateur à fibres optiques à longue bande avec un rendement de conversion d'énergie amélioré, caractérisé en ce qu'il comprend: une première partie de fibre optique comportant une source de lumière de pompage; une deuxième partie de fibre optique connectée à ladite première partie de fibre optique, ladite deuxième partie de fibre optique ne comportant pas ladite source de lumière de pompage; et un circuit de réutilisation pour utiliser une émission spontanée amplifiée (Amplified Spontaneous Emission ou ASE) comme source de lumière de pompage secondaire appliquée à ladite deuxième partie de fibre optique. 2. Amplificateur à fibres optiques à longue bande selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit de réutilisation comprend un coupleur à multiplexage à division de longueur d'onde (Wavelength Division Multiplexed ou WDM) (22) connecté entre lesdites première et deuxième parties de fibre optique, et un dispositif de pompage de lumière (32, 32') connecté audit coupleur à multiplexage à division de longueur d'onde (22) pour constituer ladite source de lumière de pompage. 3. Amplificateur à fibres optiques à longue bande selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites première et deuxième parties de fibre optique se composent de fibre optique dopée à l'erbium. 4. Amplificateur à fibres optiques à longue bande selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite fibre optique dopée à l'erbium est ajustée de façon à produire un gain dans la bande L. 5. Amplificateur à fibres optiques à longue bande avec un rendement de conversion d'énergie amélioré, caractérisé en ce qu'il comprend: une première partie de fibre optique comportant une première source de lumière de pompage; une deuxième partie de fibre optique connectée à ladite première partie de fibre optique, ladite deuxième partie de fibre optique ne comportant pas ladite source de lumière de pompage; un circuit de réutilisation pour utiliser une émission spontanée amplifiée comme source de lumière de pompage secondaire appliquée à ladite deuxième partie de fibre optique; et une paire d'isolateurs optiques (52', 52) respectivement disposés aux extrémités avant et arrière desdites première et deuxième parties de fibre optique pour guider la propagation de la lumière de signal dans une seule direction. 6. Amplificateur à fibres optiques à longue bande selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit circuit de réutilisation comprend un coupleur à multiplexage à division de longueur d'onde (22) connecté entre lesdites première et deuxième parties de fibre optique, et un dispositif de pompage de lumière (32, 32') connecté audit coupleur à multiplexage à division de longueur d'onde (22) pour constituer ladite source de lumière de pompage. 7. Amplificateur à fibres optiques à longue bande selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites première et deuxième parties de fibre optique se composent de fibre optique dopée à l'erbium. 8. Amplificateur à fibres optiques à longue bande selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite fibre optique dopée à l'erbium est ajustée de façon à produire un gain dans la bande L.