Brevet FR2902939A1 — publié le 20071228

Amplificateur à effet Raman comprenant des fibres optiques PCF et procédé de fabrication d'un amplificateur à effet Raman comprenant des fibres PCF. La présente invention concerne un amplificateur de signaux optiques, basé sur l'effet Raman, comprenant des fibres optiques PCF ainsi qu'un procédé de 5 fabrication d'un tel amplificateur de signaux optiques. Une fibre optique peut comprendre une microstructure, formée de cavités ou de trous, qui confinent des signaux optiques transmis par cette fibre optique dans son coeur. Dans ce cas, une telle fibre est dénommée fibre microstructurée, fibre photonique ou encore fibre PCF pour Photonic Crystal Fiber en anglais. 10 Une telle fibre PCF présente des caractéristiques de transmission des signaux optiques remarquables, par exemple de fortes valeurs négatives de dispersion chromatique ou une surface effective A pouvant être extrêmement élevée ou extrêmement faible. Dans ce dernier cas, lorsqu'une fibre PCF présente une surface effective A réduite 15 de l'ordre de 2 à 20 pm2, son efficacité d'amplification Raman CR est importante, cette efficacité étant inversement proportionnelle à la surface effective A de la fibre selon la formule : CR=gr/A où gr est le coefficient matériau de diffusion Raman. 20 L'utilisation d'une fibre PCF présentant une surface effective réduite en amplification Raman présente toutefois l'inconvénient de soumettre le signal amplifié à des problèmes relatifs à une modification de sa polarisation comme détaillé ci-dessous. L'état de polarisation d'un signal optique peut être décrit comme une combinaison de deux modes électromagnétiques qui ne se propagent pas à la même vitesse 25 dans une fibre si cette dernière présente de la biréfringence. Dans ce cas, cette différence de vitesse provoque un déphasage entre ces deux composantes du signal, et par conséquent une variation de l'état de polarisation du signal transmis. Une telle variation de polarisation dans un signal transmis par une fibre est mesurée par sa dispersion du mode de polarisation ou PMD pour Polarization Mode 30 Dispersion en anglais. Il est également connu de mesurer le retard, entre les modes de polarisation le plus rapide et le plus lent d'un signal, ce retard étant dénommé par la suite décalage de groupe ou D.G.D. pour Differential Group Delay en anglais. Des inhomogénéités présentes dans une fibre PCF, notamment dans sa microstructure, provoquent des variations de la biréfringence de cette fibre d'autant 5 plus importantes que la surface effective est réduite. Pour limiter les variations de polarisation d'un signal, on peut utiliser des fibres non microstructurées de faible PMD, telle que la fibre hautement non linéaire HNLF fabriquée par la société Sumitomo. Toutefois cette solution ne permet pas d'obtenir des fibres amplificatrices de très haute efficacité Raman atteignant une amplification 10 de l'ordre de 6W-'km-'. La présente invention résulte d'une première constatation propre à l'invention selon laquelle la biréfringence d'une fibre PCF se caractérise par la présence d'un premier axe de propagation rapide du signal et d'un second axe de propagation lente du signal dans la fibre, les variations de polarisation d'un signal transmis dans une fibre 15 optique PCF biréfringente étant dépendantes de l'orientation ou de la position de ces axes rapide et lent le long de la fibre. L'invention résulte aussi d'une seconde constatation propre à l'invention selon laquelle la biréfringence d'une fibre PCF, considérée comme un effet parasite problématique, peut être accrue pour devenir un phénomène avantageux. De fait, la 20 présente invention concerne un amplificateur à effet Raman comprenant au moins deux fibres PCF associées à une pompe transmettant un champ de pompe dans au moins une de ces fibres PCF. Ces deux fibres PCF étant à maintien de polarisation, une première de ces deux fibres PCF présente un axe lent, respectivement un axe rapide, de propagation colinéaire avec un axe rapide, respectivement un axe lent, 25 de propagation de la seconde de ces deux fibres PCF afin qu'un décalage de groupe induit dans un signal optique par la première fibre PCF soit pratiquement compensé par un décalage de groupe induit dans ce signal optique par la seconde fibre PCF. Un tel amplificateur permet l'utilisation de fibres PCF présentant une faible surface 30 effective A, de l'ordre de 2 à 20 pm2, avec par exemple des coefficients Raman d'amplification élevés et supérieurs à 6 W-'.km-', typiquement de l'ordre de 20 W"'.km-', sans que le signal optique amplifié ne soit dépolarisé par l'amplificateur. De fait, le décalage de groupe ou DGD induit par une des fibres PCF considérées est corrigé, dans l'amplificateur, par l'autre fibre PCF considérée, ce qui limite la variation de polarisation du signal à travers l'amplificateur. L'invention entraîne l'utilisation d'une jonction entre deux fibres distinctes, et par conséquent des pertes de signal au niveau de la jonction. Mais ces inconvénients 5 se révèlent inférieurs à l'avantage obtenu notamment sur le gain Raman. Dans une réalisation, les fibres PCF ont une biréfringence comprise entre 10-3 et 10-4, ces valeurs élevées permettant d'imposer un décalage connu au signal transmis par chacune des deux fibres. Selon une réalisation, au moins une des deux fibres PCF est comprise entre 100 10 et 5 000 mètres, de telles longueurs permettant de réaliser des amplificateurs relativement compacts. Dans une réalisation, la pompe Raman comprend une unique diode semi-conductrice, ce qui limite le coût et la taille de la pompe. L'invention concerne également un procédé de procédé de fabrication d'un 15 amplificateur à effet Raman à l'aide d'au moins deux fibres PCF et d'une pompe destinée à transmettre un champ de pompe dans au moins une de ces fibres PCF, caractérisé en ce que, ces deux fibres PCF étant à maintien de polarisation, il comprend l'étape de joindre deux fibres PCF de telle sorte qu'une première de ces deux fibres présente un axe lent, respectivement un axe rapide, de propagation, 20 colinéaire avec un axe rapide, respectivement un axe lent, de propagation de la seconde de ces deux fibres PCF afin que le décalage de groupe induit dans un signal optique par la première fibre PCF soit pratiquement compensé par un décalage de groupe induit dans ce signal optique par la seconde fibre PCF. Finalement, l'invention concerne aussi un procédé d'amplification d'un signal 25 optique par effet Raman, ce procédé mettant en oeuvre au moins deux fibres PCF à faible surface effective, ces deux fibres PCF étant associées à une pompe transmettant un champ de pompe dans au moins une de ces fibres PCF, caractérisé en ce que, ces deux fibres PCF étant à maintien de polarisation, une première de ces deux fibres PCF présente un axe lent, respectivement un axe rapide, de 30 propagation colinéaire avec un axe rapide, respectivement un axe lent, de propagation de la seconde de ces deux fibres PCF de telle sorte qu'un décalage de groupe induit dans un signal optique par la première fibre PCF soit pratiquement compensé par un décalage de groupe induit dans ce signal optique par la seconde fibre PCF. Selon une réalisation, le procédé d'amplification comprend l'étape supplémentaire de maintenir le décalage de groupe induit par l'amplificateur inférieur à 5 ps. Dans une réalisation, le procédé d'amplification comprend l'étape supplémentaire de maintenir la dispersion chromatique de l'amplificateur comprise entre -100 5 et -2000 ps.nm'.km"'. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description d'une réalisation de l'invention décrite ci-dessous, à titre illustratif et non limitatif, en faisant référence à l'unique figure ci-jointe qui est un schéma d'un système 10 d'amplification Raman mettant en oeuvre un amplificateur 12 conforme à l'invention. 10 Plus précisément, ce système 10 comprend des fibres monomodes 13 en entrée ou 14 en sortie pour guider un signal optique jusqu'à l'amplificateur 12 ou recevoir ce signal optique en sortie de l'amplificateur 12 lorsque ce signal optique a été amplifié dans les fibres PCF 15 et 16 de l'amplificateur. Les fibres 13 et 14 monomodes sont formées par deux matériaux présentant des 15 indices optiques distincts, le matériau d'indice optique le plus élevé constituant le coeur de la fibre tandis que le matériau d'indice optique le plus faible formant une gaine optique, ou optical cladding en anglais, autour de ce coeur. Les fibres PCF 15 et 16 présentent une microstructure formée par des tubes creux entourant le coeur de la fibre PCF. 20 Ce coeur peut comprendre un matériau, par exemple du germanium, du bore ou du phosphore, présentant une forte efficacité Raman et un indice optique plus élevé que l'indice optique du matériau formant la gaine optique dans laquelle sont logés les tubes. Conformément à l'invention, les fibres PCF 15 et 16 présentent une forte 25 biréfringence An de l'ordre de 10-4 à 10-3. Dans ce cas, ces fibres 15 et 16 sont dites à maintien de polarisation et elles présentent chacune un axe rapide AR et un axe lent AL de propagation d'ondes électromagnétiques selon une direction constante sur leur longueur. Grâce à une telle biréfringence contrainte, la biréfringence parasite provoquée par 30 les inhomogénéités de ces fibres 15 et 16 ont un effet limité et il est possible de contrôler la variation de polarisation introduite par chacune des fibres PCF 15 ou 16 indépendamment des inhomogénéités présentent dans ces fibres. Un tel contrôle de la PMD des fibres PCF 15 et 16 permet d'utiliser leur faible surface effective, de l'ordre de 2 à 10 pm2, pour obtenir des coefficients Raman d'amplification élevés, de l'ordre de 20 W-1.km-1. De façon pratique, la compensation entre la variation de polarisation, ou le décalage de groupe, introduite par la fibre 15 et la variation de polarisation introduite par la fibre 16 est obtenue en inversant les axes rapide AR16 et lent AL16 de cette fibre 16 par rapport aux axes rapide ARI5 et lent AL15 de la fibre 15. Ainsi, l'axe lent AL15 de la première fibre 15 coïncide avec l'axe rapide AR16 de la seconde fibre 16 tandis que l'axe rapide AR15 de la première fibre 15 coïncide avec 10 l'axe lent AL16 de la seconde fibre 16. Dans ce cas, les changements de polarisation que provoque la première fibre 15 peuvent être compensés de façon pratique, c'est-à-dire avec une tolérance requise Ar, par les changements de polarisation que provoque la seconde fibre 16. En d'autres termes, le décalage de groupe, ou DGD, OT15 induit par la première 15 fibre 15 dans le signal transmis est égal, en valeur absolue, au décalage de groupe, ou DGD, AT16 induit par la seconde fibre 16 dans ce même signal à Ar près, où : AT = I AT16-AT15 1. De façon concrète, on peut considérer deux fibres PCF 15 et 16 de biréfringence ~n15 et &n16 égales à 10' pour transmettre un signal modulé de largeur fréquentielle 20 Av de 10GHz. Dans cas, il est possible de limiter la dépolarisation du signal, avec une tolérance Ar de l'ordre de 0,5 ps, si la fibre 16 doit a une longueur égale à la longueur de la fibre 15 à 1 mètre près. En effet, le décalage de groupe AT15 induit par la première fibre 15 vaut, au premier ordre : 25 AT15 L\n15 . L16 / C Le décalage de groupe Ar16 induit par la deuxième fibre vaut, au premier ordre : OT16= X16. L16/C où L16 et L15 représentent respectivement les longueurs des fibres 16 et 15, et où c représente la vitesse de propagation d'une onde électromagnétique, de valeur 30 égale à 3.10$ m/s. Les axes lent et rapide de la seconde fibre 16 étant inversés par rapport aux axes lent et rapide de la première fibre 15, le décalage Ar de groupe résiduel de l'amplificateur s'exprime par : I AT16-AT15 I = AT Par ailleurs, cette tolérance AT requise de l'ordre de 0,5 ps peut s'exprimer de la façon suivante : LT.27t. Av A titre d'exemple, la pompe Raman 17 peut être composée par une seule diode semi-conductrice au lieu d'une combinaison de deux diodes semi-conductrices. De plus, le champ de pompe fournit par la pompe 17 peut être injecté dans les fibres PCF dans le sens de propagation du signal amplifié (co-directionnel) ou, comme dans la réalisation préférée, dans un sens opposé à celui de la propagation du signal amplifié (contra-directionnel). De plus, cette injection peut intervenir à l'entrée ou en sortie de la première fibre 15 ou de la seconde fibre 16 de telle sorte que l'amplification se réalise à travers une ou les deux fibres 15 et 16. Finalement, il convient de noter qu'une fibre PCF à maintien de polarisation ne 15 présente pas d'axe de symétrie d'ordre supérieur à 2, ce qui permet néanmoins d'envisager différentes formes en fonction des applications considérées. REVENDICATIONS 1. Amplificateur (12) à effet Raman comprenant au moins deux fibres PCF (15, 16) associées à une pompe (17) transmettant un champ de pompe dans au moins une de ces fibres PCF (15, 16), caractérisé en ce que, ces deux fibres PCF (15, 16) étant à maintien de polarisation, une première (15) de ces deux fibres PCF présente un axe lent (AL15), respectivement un axe rapide (AR15), de propagation co-linéaire avec un axe rapide (AR16), respectivement un axe lent (AL16), de propagation de la seconde (16) de ces deux fibres PCF afin qu'un décalage (Ar15) de groupe induit dans un signal optique par la première fibre PCF (15) soit pratiquement compensé par un décalage (Ar16) de groupe induit dans ce signal optique par la seconde fibre PCF (16). 2. Amplificateur (12) selon la revendication 1 dans lequel au moins une des deux fibres PCF (15, 16) présente une surface effective comprise entre 2 et 20 pm2. 3. Amplificateur (12) selon la revendication 1 ou 2 dans lequel les fibres PCF (15, 16) ont une biréfringence comprise entre 10-3 et 104. 4. Amplificateur (12) selon la revendication 1, 2 ou 3 dans lequel la longueur d'au moins une des deux fibres PCF (15, 16) est comprise entre 100 et 5000 mètres. 5. Amplificateur (12) selon l'une des revendications précédentes dans lequel le coefficient d'amplification Raman d'au moins une des deux fibres PCF (15, 16) est supérieur à 6 W-1.km-1. 6. Amplificateur selon l'une des revendications précédentes dans lequel la pompe Raman comprend une unique diode semi-conductrice. 7. Procédé de fabrication d'un amplificateur (12) à effet Raman à l'aide d'au moins deux fibres PCF (15, 16) et d'une pompe (17) destinée à transmettre un champ de pompe dans au moins une de ces fibres PCF (15, 16), caractérisé en ce que, ces deux fibres PCF (15, 16) étant à maintien de polarisation, il comprend l'étape de joindre deux fibres PCF de telle sorte qu'une première de ces deux fibres PCF (15, 16) présente un axe lent (AL15), respectivement un axe rapide (AR15), de propagation co-linéaire avec un axe rapide (AR16),respectivement un axe lent (AL16), de propagation de la seconde (16) de ces deux fibres PCF (15, 16) afin que le décalage (Ar15) de groupe induit dans un signal optique par la première fibre PCF (15) soit pratiquement compensé par un décalage (Ar16) de groupe induit dans ce signal optique par la seconde fibre PCF (16). 8. Procédé d'amplification (12) d'un signal optique par effet Raman, ce procédé mettant en oeuvre un amplificateur comprenant au moins deux fibres PCF (15, 16) associées à une pompe (17) transmettant un champ de pompe dans au moins une de ces deux fibres PCF (15, 16), caractérisé en ce que, ces deux fibres PCF (15, 16) étant à maintien de polarisation, une première (15) de ces deux fibres PCF présente un axe lent (AL15), respectivement un axe rapide (AR15), de propagation colinéaire avec un axe rapide (AR16), respectivement un axe lent (AL16), de propagation de la seconde (16) de ces deux fibres PCF de telle sorte qu'un décalage (Ar15) de groupe induit dans un signal optique par la première fibre PCF (15) soit pratiquement compensé par un décalage (Ar16) de groupe induit dans ce signal optique par la seconde fibre PCF (16). 9. Procédé d'amplification selon la revendication 8 comprenant l'étape supplémentaire de maintenir le décalage (M de groupe induit par 20 l'amplificateur inférieur à 5 ps. 10. Procédé d'amplification selon la revendication 8 ou 9 comprenant l'étape supplémentaire de maintenir la dispersion chromatique de l'amplificateur comprise -100 et -2000 ps.nm-l.km-1.