Brevet FR2772214A1 — publié le 19990611

La présente invention concerne un amplificateur pour fibres optiques destiné à être utilisé dans un système de transmissions optiques à grande distance et un réseau optique et, en particulier, un amplificateur pour fibres optiques. Un amplificateur à fibre dopée à l'erbium amplifie un signal optique de la bande des 1,5 clam, qui est une région de faibles pertes d'une fibre optique et, du fait de cette caractéristique, il est couramment utilisé pour un système de communication optique. En particulier, l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium, ayant tout à la fois un gain élevé et un niveau de bruit faible, a pour fonction d'allonger la distance entre amplificateurs dans un système de transmissions optiques à grande distance, et compense les pertes de commutation et les pertes de distribution dans un réseau optique. Par conséquent, l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium est un élément essentiel pour réaliser un système de communication optique économique et efficace. Cependant, un amplificateur à fibre dopée à l'erbium courant ayant une structure à un seul étage peut être difficilement réalisé de façon à avoir tout à la fois un gain élevé et un faible niveau de bruit, du fait de la caractéristique de la fibre dopée à l'erbium. Par conséquent, on étudie un amplificateur à fibre dopée à l'erbium à étages multiples ayant tout à la fois un gain élevé et un faible niveau de bruit. Dans un système de communication optique, l'amplificateur à étages multiples est réalisé de telle sorte qu'un premier étage ait un faible niveau de bruit et que le ou les étages suivants aient un gain élevé et une puissance de sortie élevée. De plus, pour augmenter le rendement d'un laser de pompage, l'amplificateur à étages multiples comprend un isolateur optique, un filtre passe-bande, un circulateur optique, un réflecteur de pompage et un atténuateur entre les étages, de façon à réduire le bruit d'émission spontanée amplifiée. Cependant, dans l'amplificateur pour fibres optiques classique comprenant le filtre passe-bande pour augmenter le rendement de l'amplificateur, la largeur de bande de gain de l'amplificateur est limitée par la largeur de bande du filtre passe-bande. Par conséquent, un objet de la présente invention est de procurer un amplificateur pour fibres optiques ayant un gain élevé, une puissance de sortie élevée et un faible niveau de bruit, sans limiter la largeur de bande de gain. Pour atteindre l'objet ci-dessus, on propose un amplificateur pour fibres optiques à étages multiples comprenant des amplificateurs pour fibres optiques connectés en cascade avec au moins deux étages. Un filtre étalon synchronisé est inséré entre les amplificateurs pour fibres optiques. Le filtre étalon a une fréquence de résonance adaptée à la fréquence standard d'un système de multiplexage à division de longueur d'onde utilisant les amplificateurs pour fibres optiques. Les objets, caractéristiques et avantages ci-dessus de la présente invention, ainsi que d'autres, apparaîtront de façon plus évidente à partir de la description détaillée qui suit, prise en relation avec les dessins joints, dans lesquels la figure 1 est un schéma synoptique d'un amplificateur pour fibres optiques à deux étages utilisant un filtre étalon synchronisé selon une réalisation de la présente invention la figure 2 montre une courbe de caractéristique de transmission du filtre étalon (3) de la figure i la figure 3 est un graphique illustrant une puissance de sortie et un niveau de bruit par rapport à un changement d'une puissance d'entrée de l'amplificateur pour fibres optiques la figure 4 est un graphique illustrant un spectre de sortie par rapport à un signal d'entrée de multiplexage à division de longueur d'onde dans l'amplificateur pour fibres optiques la figure 5 est un graphique illustrant une puissance de sortie par rapport à un changement de puissance d'entrée de multiplexage à division de longueur d'onde la figure 6 est un graphique illustrant un taux d'erreurs de bits mesuré par rapport à une puissance reçue dans le nouvel amplificateur pour fibres optiques ; et la figure 7 est une représentation générale schématique d'un amplificateur pour fibres optiques bidirectionnel utilisant des filtres étalons synchronisés selon une réalisation de la présente invention. La figure l illustre un schéma général d'un amplificateur pour fibres optiques à deux étages utilisant un filtre étalon synchronisé selon une réalisation de la présente invention. En figure 1, un signal optique d'entrée est appliqué à un coupleur à multiplexage à division de longueur d'onde l par l'intermédiaire d'un isolateur optique 6. Le coupleur à multiplexage à division de longueur d'onde l couple par multiplexage à division de longueur d'onde le signal optique entré à partir de l'isolateur optique 6 à un laser de pompage et délivre le signal optique couplé par multiplexage à division de longueur d'onde à un amplificateur à fibre dopée à l'erbium 2. Ici, on utilise un laser de pompage ayant une longueur d'onde de 980 nm. Cependant, parfois, un laser de pompage ayant une longueur d'onde de 1480 nm est également utilisé. L'amplificateur à fibre dopée à l'erbium 2 amplifie un signal de sortie du coupleur à multiplexage à division de longueur d'onde 1 à un niveau approprié pour la transmission. Un filtre étalon 3, connecté à une sortie de l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium 2 par l'intermédiaire d'un isolateur optique 7, filtre un signal de sortie de l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium 2. Pour le filtre étalon 3, on utilise un filtre étalon synchronisé ayant une fréquence de résonance accordée à une fréquence opérationnelle du signal de multiplexage à division de longueur d'onde. Un filtre étalon à semi-conducteurs a des fréquences de résonance périodiques à des intervalles de plage spectrale libre spécifique. Ce filtre étalon à semi-conducteurs ayant sa fréquence de résonance qui est adaptée aux fréquences standard est appelé "filtre étalon synchronisé". Par conséquent, le filtre étalon synchronisé 3 appliqué à la présente invention a des bandes passantes adaptées aux fréquences standards. Par conséquent, le signal de sortie de l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium 2 est filtré par le filtre étalon synchronisé 3 ayant ses bandes passantes qui sont adaptées aux fréquences standard. Lorsque l'on insère le filtre étalon synchronisé 3 entre deux étages d'amplificateurs à fibre dopée à l'erbium, c'est-à-dire entre l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium 2 et un amplificateur à fibre dopée à l'erbium 5, il est possible de réduire le bruit d'émission spontanée amplifiée, de façon à réaliser par conséquent un amplificateur pour fibres optiques amélioré. De plus, l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium utilisant le filtre étalon synchronisé 3 peut également être utilisé pour un système à multiplexage à division de longueur d'onde. Le système à multiplexage à division de longueur d'onde transmet des lasers ayant des longueurs d'onde différentes par l'intermédiaire d'un toron de la fibre optique de façon à maximiser la capacité du système de communication optique. Pour garantir la fiabilité du système à multiplexage à division de longueur d'onde et pour faciliter la maintenance du système à multiplexage à division de longueur d'onde, le laser, constituant une source optique des canaux respectifs, doit fonctionner avec précision aux fréquences standards spécifiées par l'IUT (Union Internationale des Télécommunications) . Les fréquences de résonance du filtre étalon synchronisé 3 peuvent être adaptées aux fréquences standards spécifiées par l'IUT à l'aide d'un processus relativement simple. Par conséquent, dans le système à multiplexage à division de longueur d'onde ayant une longueur d'onde stable, il est possible de transmettre le signal sans pertes et de réduire le bruit d'émission spontanée amplifiée en fonction des caractéristiques de transmission du filtre, en adaptant les fréquences des lasers respectifs aux fréquences de résonance du filtre étalon 3 dans l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium. L'amplificateur à fibre dopée à l'erbium utilisant le filtre étalon synchronisé 3 peut améliorer les performances sans limiter la largeur de bande de gain, par rapport à l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium existant utilisant le filtre passe-bande. Un signal de sortie du filtre étalon 3 est appliqué à un coupleur à multiplexage à division de longueur d'onde 4 et couplé par multiplexage à division de longueur d'onde à un laser de pompage ayant une longueur d'onde de 980 nm. L'amplificateur à fibre dopée à l'erbium 5 amplifie un signal de sortie du coupleur à multiplexage à division de longueur d'onde 4 à un niveau approprié pour la transmission. Un signal de sortie de l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium 5 est transmis par l'intermédiaire d'un isolateur optique 8. Comme décrit ci-dessus, le nouvel amplificateur pour fibres optiques proposé a une structure à double étage. Dans la réalisation, la fibre dopée à l'erbium du premier étage a une longueur de 14 m, et la fibre dopée à l'erbium du deuxième étage a une longueur de 22 m. Le signal d'entrée de chaque étage est pompé vers l'avant sous 30 mW par le laser de pompage ayant une longueur d'onde de 980 nm. Le fait d'insérer le filtre étalon synchronisé 3 et l'isolateur optique 7 entre les premier et deuxième étages réduit le bruit d'émission spontanée amplifiée, ce qui produit une amélioration de l'amplificateur. Un procédé d'insertion de l'isolateur optique dans l'amplificateur pour fibres optiques pour éliminer le bruit d'émission spontanée amplifiée revenant vers l'arrière est couramment utilisé. L'isolateur optique 7 disposé à l'avant du filtre étalon 3 ne se contente pas d'éliminer le bruit d'émission spontanée amplifiée se déplaçant vers l'arrière, mais supprime également la réflexion du filtre. Le filtre étalon 3 est disposé à l'arrière de l'isolateur optique 7, de façon à réduire le bruit d'émission spontanée amplifiée généré dans le premier étage en fonction des caractéristiques de transmission du filtre. Si le bruit d'émission spontanée amplifiée généré dans l'amplificateur pour fibres optiques du premier étage est réduit de cette façon, le laser de pompage du deuxième étage est utilisé plus efficacement pour amplifier le signal, de façon à améliorer par conséquent les performances de l'amplificateur pour fibres optiques. La figure 2 illustre une courbe de caractéristique de transmission du filtre étalon synchronisé 3. Comme exposé ci-dessus, la figure 2 montre les fréquences de résonance ayant des intervalles réguliers de résonance de fréquence. En adaptant les fréquences de résonance aux fréquences standards du laser, on peut facilement utiliser ces fréquences de résonance dans le système à multiplexage à division de longueur d'onde stabilisé. Autrement dit, le filtre étalon synchronisé 3 transmet les signaux à multiplexage à division de longueur d'onde ayant les fréquences adaptées aux bandes passantes, et élimine le bruit d'émission spontanée amplifiée en fonction des caractéristiques de transmission. Le filtre étalon 3 appliqué à la présente invention a une fréquence de résonance de 100 GHz, une finesse d'environ 5, et une perte d'insertion de 2,4 dB. La figure 3 illustre une puissance de sortie et une valeur de bruit en fonction d'un changement d'une puissance d'entrée dans l'amplificateur pour fibres optiques et, dans celle-ci, les courbes des valeurs représentées par les points"-"montrent les performances du nouvel amplificateur pour fibres optiques utilisant tout à la fois l'isolateur optique 7 et le filtre étalon 3 entre les étages, les courbes des valeurs représentées par des triangles "À" montrent les performances de l'amplificateur pour fibres optiques clas sique n'utilisant que l'isolateur optique 7 entre les étages, et les courbes des valeurs représentées par des carrés "|"montrent les performances de l'amplificateur pour fibres optiques classique n'utilisant que le filtre étalon 3 entre les étages. Autrement dit, la figure 3 montre les puissances de sortie et les niveaux de bruit, pour les trois cas ci-dessus, mesurés en faisant changer la puissance du signal optique d'entrée de l'amplificateur pour fibres optiques. Ici, le signal optique d'entrée a une longueur d'onde de 1549,1 nm. Pour le signal d'entrée de -40 dBm, un gain de petits signaux et un niveau de bruit de 42,1 dB et 3,8 dB, respectivement ont été mesurés. Par ailleurs, en figure 3, les trois courbes supérieures montrent les puissances de sortie par rapport aux puissances d'entrée, et les trois courbes inférieures montrent les niveaux de bruit de sortie. On peut comprendre à partir de la description précédente que le nouvel amplificateur pour fibres optiques offre un gain de petits signaux (c'est-à-dire un gain pour de faibles niveaux de signal) et un niveau de bruit améliorés de 3,2 dB et de 0,6 dB, respectivement, par rapport à l'amplificateur optique n'utilisant que l'isolateur optique. La plage dynamique, l'un des paramètres indiquant les performances de l'amplificateur pour fibres optiques, montre un changement de puissance de sortie de l'amplificateur pour fibres optiques en fonction d'un changement de la puissance d'entrée, et est définie par une puissance d'entrée où une puissance de sortie saturée est diminuée de 3 dB. L'amplificateur pour fibres optiques ayant une large plage dynamique délivre une puissance de sortie constante même avec un changement de la puissance d'entrée, ce qui améliore par conséquent la fiabilité du système. On peut comprendre que la plage dynamique de l'amplifie cateur pour fibres optiques de l'invention est améliorée d'environ 5 dB par rapport aux autres amplificateurs pour fibres optiques classiques. De plus, l'amplificateur pour fibres optiques de l'invention a la puissance de sortie saturée de 13,5 dBm qui est très similaire à celle de l'amplificateur pour fibres optiques n'utilisant que l'isolateur optique. Autrement dit, même si le filtre étalon synchronisé 3 est inséré entre les amplificateurs pour fibres optiques, la puissance de sortie n'est pas réduite. L'amplificateur pour fibres optiques n'utilisant que le filtre étalon synchronisé 3 a le gain à faible niveau de signal et le niveau de bruit qui sont réduits de 3,2 dB et de 1,4 dB, respectivement, par rapport à l'amplificateur pour fibres optiques n'utilisant que l'isolateur optique. Ceci est dû au fait que le bruit résiduel d'émission spontanée amplifiée se déplaçant vers l'arrière réduit (ou supprime) l'inversion de la densité de l'erbium dans l'amplificateur pour fibres optiques du premier étage. Cependant, lorsque le signal optique d'entrée est, par exemple, supérieur à -20 dBm, le bruit d'émission spontanée amplifiée est supprimé par le signal lui-même, ce qui fait que l'influence du bruit d'émission spontanée amplifiée se déplaçant vers l'arrière sur les performances peut être réduite. Par conséquent, en fonction des utilisations, il est possible de réaliser l'amplificateur pour fibres optiques à deux étages en utilisant le filtre étalon synchronisé 3 à la place d'un isolateur optique. La figure 4 illustre un spectre de sortie en fonction du signal de multiplexage à division de longueur d'onde dans le nouvel amplificateur pour fibres optiques. En figure 4, "5 dB/D" indique que l'intensité par repère de l'échelle est de 5 dB, et "Déf 0,2 nm" indique que la définition d'un instrument de mesure est établie à 0,2 nm. De plus, la figure 4 montre que les signaux de multiplexage à division de longueur d'onde ont des longueurs d'onde de 1549,1 nm, 1550,7 nm, 1552,3 nm et 1553,9 nm, et l'espace entre les canaux respectifs est de 200 GHz. Ces longueurs d'ondes des signaux de multiplexage à division de longueur d'onde sont bien adaptées aux fréquences de résonance du filtre étalon synchronisé 3. Lorsque les signaux optiques d'entrée de multiplexage à division de longueur d'onde sont de -22 dBm pour les canaux respectifs, les puissances de sortie des canaux respectifs sont toutes de 6,9 + 0,2 dBm. De plus, on montre que le bruit d'émission spontanée amplifiée est éliminé par la caractéristique de transmission du filtre étalon synchronisé. La figure 5 illustre une puissance de sortie en fonction d'un changement de la puissance de signal d'entrée de multiplexage à division de longueur d'onde, pour le cas de l'amplificateur pour fibres optiques de l'invention et de l'amplificateur pour fibres optiques classique n'utilisant que l'isolateur optique. En figure 5, les signaux de multiplexage à division de longueur d'onde ont des longueurs d'onde de 1549,1 nm, 1550,7 nm, 1552,3 nm et 1553,9 nm, les courbes représentées par les lignes de tirets indiquant la puissance de sortie de l'amplificateur pour fibres optiques inventif et les courbes représentées par les lignes de traits pleins indiquant la puissance de sortie de l'amplificateur pour fibres optiques classique n'utilisant que l'isolateur optique. A partir de la figure 5, on peut comprendre que, lorsque la puissance d'entrée par canal est située dans la plage comprise entre -42 dBm et -17 dBm, la plage dynamique (-20 dB) de l'amplificateur pour fibres optiques de l'invention est améliorée d'environ 5 dB par rapport à la plage dynamique ( 15 dB) de l'amplificateur pour fibres optiques classique n'utilisant que l'isolateur optique. De plus, pour la variation de la puissance d'entrée entre -42 dBm et -17 dBm, l'amplificateur pour fibres optiques de l'invention a une variation de puissance maximale de 0,8 dB, ce qui est inférieur à la variation de puissance maximale de 1,4 dB de l'amplificateur pour fibres optiques classique n'utilisant que l'isolateur optique. A partir des résultats ci-dessus, on peut apprécier le fait que l'amplificateur pour fibres optiques de l'invention est approprié pour le système à multiplexage à division de longueur d'onde. Cependant, le filtre étalon synchronisé 3 utilisé dans l'amplificateur pour fibres optiques de l'invention a une largeur de bande à 3 dB de 20 GHz, ce qui est suffisamment large pour transmettre des signaux de 2,5 Gb/s. Par conséquent, si les longueurs d'onde des signaux de multiplexage à division de longueur d'onde sont bien adaptées aux fréquences de résonance du filtre, la détérioration de la sensibilité de réception due au filtre est négligeable. Pour confirmer cela, les performances de l'amplificateur pour fibres optiques de l'invention ont été mesurées. Lors de la mesure, quatre sources de lumière de multiplexage à division de longueur d'onde ont été simultanément modulées en utilisant un modulateur au LiNbO3, puis ont été transmises par l'intermédiaire d'une fibre optique monomode de 13 km. Les signaux ont été amplifiés en utilisant l'amplificateur pour fibres optiques de l'invention, puis ont été ensuite démodulés en utilisant un filtre passe-bande après atténuation. Les signaux démodulés ont été reçus par l'intermédiaire d'une photodiode à avalanche, et le taux d'erreurs de bits a été mesuré pour les signaux de démodulation re çus. La figure 6 illustre le taux d'erreurs de bits mesuré du nouvel amplificateur pour fibres optiques en fonction de la puissance reçue, les signaux de multiplexage à division de longueur d'onde ayant des longueurs d'onde de 1549,1 nm, 1550,7 nm, 1552,3 nm et 1553,9 nm. La sensibilité de réception des quatre canaux a été mesurée comme étant de -34 i 0,1 dBm au taux d'erreurs de bits de 109. Comme on peut l'apprécier à partir de la figure 6, la détérioration de la sensibilité de réception due au filtre dans l'amplificateur pour fibres optiques de l'invention est négligeable. Lorsque plusieurs amplificateurs pour fibres optiques de l'invention sont utilisés dans un système de transmission à grande distance ou un réseau optique, la largeur de bande équivalente du filtre est considérablement réduite. Par conséquent, la largeur de bande à 3 dB du filtre doit être rendue suffisamment large. Par exemple, si l'on suppose qu'une largeur de bande équivalente approximativement quadruple de 10 GHz est nécessaire pour transmettre un signal optique de 2,5 Gb/s sans détériorations, la largeur de bande du filtre utilisé dans l'amplificateur pour fibres optiques de l'invention doit être supérieure à 37 GHz pour utiliser dix amplificateurs pour fibres optiques de l'invention. Toutefois, comme la largeur de bande du filtre est inversement proportionnelle au gain de petits signaux, il est important que l'utilisateur du système détermine une largeur de bande à 3 dB optimale en fonction des buts d'utilisation. La figure 7 illustre un schéma synoptique d'un amplificateur pour fibres optiques bidirectionnel utilisant des filtres étalons synchronisés selon une réalisation de la présente invention. Comme les signaux optiques se déplacent de façon bidirectionnelle dans l'amplificateur pour fibres optiques bidirectionnel, l'isolateur optique ne peut pas être utilisé. Par conséquent, le gain de l'amplificateur est restreint par le signal se déplaçant vers l'arrière généré par la réflexion et la rétrodiffusion de Rayleigh, et le bruit de phase est converti en un bruit d'intensité, ce qui provoque par conséquent une détérioration de la sensibilité de réception. Pour empêcher cela, de façon classique, le trajet optique est divisé pour les signaux optiques se déplaçant dans les directions opposées en utilisant des circulateurs optiques 12 et 15, et un réseau ou un isolateur optique est utilisé dans les trajets divisés. Toutefois, comme montré en figure 7, il est également possible de supprimer le signal se déplaçant vers l'arrière en utilisant les filtres étalons synchronisés 13 et 14. Autrement dit, en ajustant de façon différente les fréquences de résonance des filtres étalons 13 et 14 utilisés dans des trajets différents, le signal se déplaçant dans une direction peut être transmis, tandis que le signal se déplaçant dans une autre direction peut être éliminé. Par exemple, il est possible d'éliminer le signal se déplaçant vers l'arrière en utilisant le filtre étalon 13 qui ne transmet que les fréquences fl et f3 dans une direction et le filtre étalon 14 qui ne transmet que les fréquences f2 et f4 dans une autre direction. Comme décrit ci-dessus, le nouvel amplificateur pour fibres optiques utilisant le filtre étalon synchronisé a un gain élevé, une puissance de sortie élevée et une faible valeur de bruit, sans limiter la largeur de bande de gain. Par conséquent, le nouvel amplificateur pour fibres optiques peut être largement utilisé dans le système à multiplexage à division de longueur d'onde. Bien que l'invention ait été montrée et décrite en se référant à une certaine réalisation préférée de celle-ci, les personnes ayant une bonne connaissance de la technique comprendront que différents changements de forme et de détails peuvent y être apportés sans s'écarter de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Amplificateur pour fibres optiques à étages multiples, caractérisé en ce qu'il comprend des amplificateurs pour fibres optiques connectés en cascade (2, 5) en au moins deux étages ; et un filtre étalon synchronisé (3) inséré entre les amplificateurs pour fibres optiques (2, 5). 2. Amplificateur pour fibres optiques à étages multiples selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit filtre étalon (3) a une fréquence de résonance qui est adaptée à une fréquence standard d'un système à multiplexage à division de longueur d'onde utilisant les amplificateurs pour fibres optiques (2, 5). 3. Amplificateur pour fibres optiques à deux étages, caractérisé en ce qu'il comprend un premier isolateur optique (6) couplé à un signal optique d'entrée un premier coupleur à multiplexage à division de longueur d'onde (1) pour coupler par multiplexage à division de longueur d'onde un signal optique délivré en sortie du premier isolateur optique (6) à un laser de pompage un premier amplificateur à fibre dopée à l'erbium (2) pour amplifier un signal de sortie du premier coupleur à multiplexage à division de longueur d'onde (1) un deuxième isolateur optique (7) couplé à une sortie du premier amplificateur à fibre dopée à l'erbium (2) un filtre étalon synchronisé (3) pour transmettre un signal multiplexé par division de longueur d'onde venant du deuxième isolateur optique (7) et éliminer un bruit d'émission spontanée amplifiée un deuxième coupleur à multiplexage à division de longueur d'onde (4) pour coupler par multiplexage à division de longueur d'onde un signal optique délivré en sortie du filtre étalon synchronisé (3) à un laser de pompage un deuxième amplificateur à fibre dopée à l'erbium (5) pour amplifier un signal de sortie du deuxième coupleur à multiplexage à division de longueur d'onde (4) ; et un troisième isolateur optique (8) couplé à une sortie du deuxième amplificateur à fibre dopée à l'erbium (5). 4. Amplificateur pour fibres optiques bidirectionnel, caractérisé en ce qu'il comprend des premier et deuxième amplificateurs pour fibres optiques (11, 16) pour amplifier des premier et deuxième signaux optiques se déplaçant dans des directions opposées, respectivement, les premier et deuxième signaux optiques ayant des fréquences différentes (fl, f3 ; f2, f4) des premier et deuxième circulateurs optiques (12, 15) couplés entre les premier et deuxième amplificateurs pour fibres optiques (11, 16) pour séparer un premier trajet pour le premier signal optique d'un deuxième trajet pour le deuxième signal optique ; et des premier et deuxième filtres étalons (13, 14) disposés dans les premier et deuxième trajets, respectivement, pour transmettre sélectivement le signal optique se dépla çant dans une direction et éliminer le signal optique se déplaçant dans une autre direction.