Résumé- Le but de cette étude est d’évaluer lacontribution de l’amplification optique dans l’améliorationdes performances d’un système de communication optiqueà longue distance. Nous présentons quelques résultatsd’une étude menée pour guider la conception des systèmesde transmission optique performants. Une présentation dessystèmes amplifiés est faite. Des résultats de simulationpermettant de comparer l’amplification en ligne avecl’amplificateur à fibre dopée à l’erbium et l’amplificateuroptique à semiconducteur sont présentés.

I. INTRODUCTION

La conception des systèmes de transmission mettant enoeuvre des éléments optiques divers nécessite l'appui d'outilsde simulation. En effet, le coût d'équipement requis poureffectuer une étude expérimentale d'un système decommunication optique reste élevé. L'analyse et l'évaluation detels systèmes par la simulation peut s'avérer comme uneavenue intéressante de par la flexibilité et le coût relativementpeu élevé de cette méthode. Les travaux théoriques etexpérimentaux sur les éléments optiques permettentactuellement de disposer de modèles dont la maturité assureune concordance tout à fait appréciable entre l'expérimentationet les résultats de simulation [1].

Un des souhaits d’un concepteur de systèmes detransmission est de pouvoir allonger au maximum la distanceséparant un émetteur optique du récepteur optique. Latechnologie a évolué dans cette direction en passant de la fibremultimode à la fibre monomode, supprimant ainsi la dispersionintermodale et en passant de la longueur d’onde de 1330 nm à1550 nm, minimisant ainsi l’atténuation. Celle-ci demeurepourtant la première limitation des liaisons à longue distance.Dès lors que la distance sur laquelle on doit transmettre devientsupérieure à la portée du système, on est obligé d’utiliser desrépéteurs régénérateurs optoélectroniques qui convertissent lesignal optique en signal électrique, le régénèrent et leconvertissent à nouveau en signal optique en vue de letransmettre vers un autre répéteur ou terminal de ligne.

Le régénérateur optoélectronique comprend un laser, unephotodiode et un grand nombre de circuits intégrés. Tous cescomposants devant fonctionner à grands débits sont chers,complexes, délicats à réaliser et à interfacer. Malgré lesprogrès incontestables de l'électronique à large bande, il y alieu de penser que le développement de ce type derégénérateurs à des débits supérieurs à 2.5 Gbits/s seracoûteux. Pourtant, les besoins en débit ne cessent d’augmenter.Cette course à la capacité semble devoir se ralentir pour desraisons technologiques liées à la faisabilité des régénérateurs

optoélectroniques [2]; d’où le grand engouement vers lessystèmes non régénérés avec l’utilisation de l’amplificationoptique.

II. INTÉRÊT DE L’AMPLIFICATEUR OPTIQUE

L’amplificateur optique est un dispositif qui assurel’amplification du signal tout en restant dans le domaineoptique. Deux types d’amplificateurs optiques ont aujourd’huides applications clairement identifées : l’amplificateur optiqueà semiconducteurs et l’amplificateur optique à fibre dopée àl’erbium. Ces deux types d’amplificateurs optiquesfonctionnement sous le même principe physique : un faisceaulumineux incident est amplifié grâce à un apport extérieurd’énergie appelé pompage.

L’amplificateur optique présente de nombreux intérêtsqualitatifs par rapport au répéteur régénérateur qui doit êtreconçu pour un débit bien spécifique. En effet, dans unamplificateur optique, la bande passante n’est plus limitée parl’électronique et peut atteindre plusieurs centaines degigahertz. L’amplificateur optique offre l’avantage d’amplifierles signaux dont la longueur d’onde correspond à leur plage desensibilité sans tenir compte du débit de transmission et duformat de modulation utilisé. Cependant, l’amplificateuroptique ne régénère pas le signal et n’effectue pas non plus lamise en forme du signal à amplifier ; il amplifie le signal aumême titre que son bruit associé.

L’amplification optique peut avoir lieu en trois pointsd’une liaison qui correspondent aux trois applicationsprincipales d’un amplificateur optique comme indiqué à lafigure 1.

Fig. 1 Applications de l’amplificateur optique.

Amplificateur de ligne

Amplificateur de ligne

Post-amplificateur

Pré-amplificateur

Module deTransmission

Module de Réception

Fibre optique

Étude sur l’amplification en ligne des systèmes de communication optique

A. Boyoguéno Bendé, M. A. Duguay, P. FortierDépartement de génie électrique, Université Laval, Ste-Foy (Québec) Canada, G1K 7P4

e-mails : boyo@gel.ulaval.ca, mduguay@gel.ulaval.ca, fortier@gel.ulaval.caFax : 418 656-3159

L’objectif des études de système est l’identification despoints de fonctionnement possibles pour le débit à transmettreet la longueur de la liaison. Le post-amplificateur placé à lasortie du module de transmission a pour rôle d’augmenter lapuissance de sortie de l’émetteur et donc d’accroître d’autant lebudget total de la liaison. Les amplificateurs en ligne ont pourfonction de compenser l’atténuation du signal par la fibre et lesdifférentes pertes encourues. Le pré-amplificateur situé àl’entrée du module de réception permet d’augmenter en mêmetemps la sensibilité du récepteur et le budget de la liaison ; icila minimisation du facteur de bruit est très recherchée.

III. CARACTÉRISTIQUES DES AMPLIFICATEURS OPTIQUES À FIBRE DOPÉE À L’ERBIUM. (EDFAs)

Le milieu amplificateur est le coeur d’une fibre optiquemonomode dopée avec des ions de terre rare. Pourl’amplification autour de 1550 nm, fenêtre de faible atténuationdes fibres optiques en silice, les dopants sont des ions Er3+. Lepompage est réalisé optiquement par couplage dans la fibreoptique d’un flux lumineux puissant provenant d’une diodelaser de pompe. Les longueurs d’onde de pompe sont celles quipermettent les transitions vers les états excités de l’erbium. 980et 1480 nm sont les deux longueurs d’onde de pompe les mieuxadaptées et, les diodes lasers à ces longueurs d’onde sontdisponibles. La comparaison de leur intérêt respectif montreque le pompage à 980 nm permet une inversion de populationmaximale et introduit un minimum de bruit, tandis que lepompage à 1480 nm est aujourd’hui le mieux maîtrisé avec despuissances élevées de pompage et de saturation [3].

Fig. 2 Configuration d’un amplificateur optique à fibre dopée à l’erbium avec pompage optique.

La figure 2 donne un exemple de configuration de ce typed’amplificateur. L’EDFA consiste en un morceau de fibreoptique monomode dopée, de longueur d’environ 10 - 20 m etd’un laser de pompe. La lumière provenant de la pompe exciteles ions Er3+ au niveau d’énergie supérieur, ce qui permet deréaliser l’inversion de population. Le multiplexeur optiquesélectif en longueur d’onde effectue le couplage dans la fibredopée à l’erbium du signal à transmettre et du signal de pompe;celui-ci doit présenter une perte d’insertion faible aux deuxlongueurs d’onde afin d’optimiser le rendement optique dusystème. Les isolateurs optiques permettent d’éviter lesoscillations et d’assurer la stabilité des caractéristiques de gainen bloquant tous les faisceaux lumineux susceptibles de reveniren aval. Le signal de pompe peut être couplé dans la fibre enco-propagation ou en contre-propagation.

La figure 3 met en évidence une large bande passantepermettant une amplification simultanée de plusieurs signauxmultiplexés en longueur d’onde. Le multiplexage en longueurd’onde permettra d’augmenter la capacité sans rendre lesystème plus complexe. La transmission d’impulsions de typesoliton est une alternative permettant d’éviter la déformationdes signaux le long de la ligne.

Fig. 3 Spectres d’émission et d’absorption

La figure 4 montre le bon comportement du gain enfonction du signal de pompe d’une part et du signal àtransmettre de l’autre. L’amplification dépend aussi bien dusignal d’entrée que de la longueur d’onde. À faible puissanced’entrée, le gain est maximum à 1530 nm [4]. Bien que le gainde l’EDFA croît initialement avec la puissance de pompe, ilsature pour les valeurs de pompe élevées. Un gain de 30 - 48dB est réalisable avec ce type d’amplificateur [3].

Fig. 4 Gain de l’amplificateur optique à fibre dopée Er3+.

IV. CARACTÉRISTIQUES DES AMPLIFICATEURS OPTIQUES À SEMI-CONDUCTEURS.

En principe, tout laser à semiconducteurs peut servird’amplificateur optique. Il suffit d’enlever les miroirs et d’yinjecter de la lumière d’une source externe comme dansl’amplificateur à fibre. Les travaux sur l’amplification optiqueà semiconducteurs datent d’au moins une quinzaine d’annéeset ils sont mis à profit depuis longtemps dans le domaine deslasers de puissance [2]. Les applications couvrent une gammede longueurs d’onde assez étendue incluant 1330 et 1550 nm.En pratique, les amplificateurs optiques à semiconducteurssouffrent des problèmes sérieux qui constituent leurs limitespour certaines applications [4].

LaserPompe

Signal

Isolateuroptique

Multiplexeuroptique

Isolateur optique

Fibre dopéeà l’erbium

Signalamplifié

Ils permettent d’obtenir un gain élevé jusqu’à 30 dB selonle semiconducteur, la longueur d’onde du signal amplifié et lecourant de polarisation et ce, sur une large bande passante (30 -50 nm) [3].

Fig. 5 Configuration de base d’un amplificateur optique à semiconducteurs.

La figure 5 donne une configuration de base d’unamplificateur optique à semiconducteurs. Les deux facettes del’amplificateur sont recouvertes d’un revêtement antirefletsafin de diminuer les réflexions de la lumière vers l’intérieur ducircuit intégré. La lumière incidente entre dans le circuit, elleest amplifiée et sort par l’autre bout pour être couplée dans lafibre. Idéalement, il n’y a pas de réflexion du signal versl’amplificateur. Les pertes de couplage du faisceau incidentdans l’amplificateur sont très élevées, car le diamètre dufaisceau est supérieur à l’épaisseur de la couche active. Enplus, le gain de l’amplificateur dépend de la polarisation de lalumière incidente; ce qui est difficilement contrôlable, car lesfibres optiques monomodes standards ne sont pas à maintien depolarisation.

Fig. 6 Gain en fonction de la longueur d’onde.

La figue 6 présente des résultats de simulation du gain del’amplificateur en fonction de la longueur d’onde optique. Lescourbes sont tracées pour une puissance du signal d’entréefixée (dBm), et pour une longueur d’onde variant de manièrecontinue. Lorsque le courant de polarisation augmente, lemaximum de gain est décalé vers de courtes longueurs d’onde;ce qui pourrait être attribué à la variation de la polarisation dela lumière incidente dans la fibre.

Le gain est aussi simulé en fonction de la puissance dusignal d’entrée variant de -40 dBm à 0.0 dBm (figure 7). Onremarque une bonne sensibilité du gain aux faibles puissancesdu signal incident. Le gain est presque constant pour les faiblespuissances traversant l’amplificateur.

Fig. 7 Gain en fonction de la puissance du signal.

Tout comme les amplificateurs optiques à fibre dopée, lesamplificateurs à semiconducteurs peuvent amplifier lessignaux dans une bande de fréquence assez large. Ilspermettent d’obtenir un meilleur gain aux deux fenêtres detélécommunications optiques, à savoir 1300 et 1550 nm.

V. ÉTUDE COMPARATIVE

Les amplificateurs optiques à fibre dopée à l’erbiumfonctionnent mieux que leurs homologues à semi-conducteurset présentent plusieurs caractéristiques qui les rendent plusattrayants quant à leur utilisation dans les systèmes detransmission optique à grandes distances et à débits élevés. Ilsintroduisent de faibles pertes d’insertion et ils ont une trèsfaible distorsion du signal. En effet, le signal à l’entrée estpresque similaire à celui qui en sort. La diaphonie et le bruitsont faibles et de plus, ils sont insensibles à la polarisation de lalumière incidente.

La supériorité du gain et de la puissance de saturation, lesfaibles pertes d’insertion et la réduction du facteur de bruitconduisent à préférer les EDFAs aux amplificateurs optiques àsemiconducteurs pour les applications de post-amplification,d’amplification en ligne et de pré-amplification. Cependant, lesEDFAs sont limités à l’amplification du signal autour de 1550nm, ce qui constitue leur principale limitation intrinsèque. Lesamplificateurs à semiconducteurs présentent quant à euxl’avantage d’amplifier des signaux sur une plus grande gammede fréquences. De plus, les amplificateurs à semiconducteursse prêtent à l’intégration monolithique, ce qui est difficilementréalisable avec les EDFAs.

VI. CONTRAINTES DES SYSTÈMES AMPLIFIÉS

Les limites des systèmes non régénérés à grandesdistances sont imposées par le bruit, la puissance de saturationdes amplificateurs optiques et par les phénomènes nonlinéaires inhérents à la propagation dans la fibre.

Amplificateur àsemiconducteurs

coeur coeur

Input F.O Output F.ORevêtementsantireflets

Coucheactive Faisceau issu de la fibre optique

L’augmentation du débit binaire entraîne une dégradation durapport signal sur bruit en raison de l’élargissement de la bandeélectrique de réception [5]. Cette augmentation de débit accroîten outre l’influence des phénomène non linéaires,principalement l’effet Kerr du fait de la réduction de la duréede l’intervalle de temps binaire et de l’encombrement spectraleaccru du signal.

Le multiplexage en longueur d’onde de plusieurs canaux àdébit binaire moins élevé est une alternative attrayantepermettant de repousser les limites précitées. Mais il faudraitau départ maîtriser l’espacement entre les canaux.

Le passage de la longueur d’onde 1330 nm correspondantau zéro de dispersion à 1550 nm où le coefficient de dispersionest d’environ 18 ps/km.nm est un autre facteur limitatif surtoutà de grandes distances ou même à des débits élevés. Lesnouveaux systèmes de communication optique devant êtreréalisés à cette longueur d’onde, la compensation de ladispersion constitue une étape importante à franchir.

L’utilisation des fibres optiques monomodes à dispersiondécalée permet actuellement de minimiser l’effet de ladispersion dans la dégradation du signal. R. Heidemann et al.[6] présentent des résultats intéressants qui permettent decroire que les systèmes à 1550 nm ne seront plus limités par ladispersion.

Comsis [7] et T. Li [8] décrivent très bien les détails duphénomène permettant l’amplification optique du signal.L’émission stimulée est à l’origine de l’amplification optiqued’un faisceau de photons incidents. Quant à l’émissionspontanée, elle peut être amplifiée à son tour par l’émissionstimulée: il s’agit alors d’émission spontanée amplifiée (ASE),à l’origine du bruit des amplificateurs optiques. Contrairementà l’émission spontanée, l’ASE dépend de la longueur d’onde etde la puissance de pompe injectée dans la fibre. Elle secomporte comme un bruit vis à vis du signal utile.

Ce bruit est un facteur qui limite la mise en cascade desamplificateurs optiques puisqu’à chaque étage d’amplification,s’ajoute le bruit local au bruit amplifié créé par l’étageprécédent. L’ASE accumulée est proportionnelle au gain dechaque amplificateur et à leur nombre. Son spectre est celui del’émission spontanée modifié par le profil de gain de la chaîneamplificatrice. Le photocourant résultant de l’ASE peut êtreapproximé par [8] :

avec nsp le facteur d’émission spontanée, m le nombred’amplificateurs, G le gain de chacun d’eux, l’efficacité decouplage pouvant prendre en compte les pertes de transmissionentre le dernier amplificateur et le récepteur, Bo la bandepassante optique et e la chage d’un électron.

Dans un système amplifié de longueur totale L etd’espacement entre amplificateurs successifs d, le nombred’amplificateurs m est donné par m = L/d, et le gain de chaqueamplificateur est G=(Gtotal)1/m. Il est évident que lephotocourant dû à l’émission spontanée amplifiée est minimisési d tend vers zéro ; ce qui améliore le rapport signal sur bruit.

VII. CONCLUSION

En plus des avantages qualitatifs des amplificateursoptiques (OAs), par rapport aux répéteurs régénérateursconstitués d’un grand nombre de composants électroniques,ceux-ci permettent de réduire le coût global des installations,car le coût de maintenance est réduit par la diminution dunombre d’éléments. L’augmentation de la puissanced’émission grâce à l’emploi du post-amplificateur renforcéepar l’utilisation du pré-amplificateur engendre unaccroissement de la portée possible des systèmes nonrégénérés. L’utilisation de la fibre à dispersion décalée(recommandation G.653 de l’UIT-T) présente l’avantage derepousser la limitation due à la dispersion chromatique. Lesamplificateurs optiques s’adaptent à l’évolution du réseau versles hauts débits jusqu’à quelques dizaines de Gbits/s.

VIII. BIBLIOGRAPHIE

[1] E. Gay et al. “Modelling of optical components for transmissionsystems”, L'Onde Électrique, nov./déc. 1994, vol. 74, no. 6.

[2] P. Vandamme et al., “Soliton transmission on optical fibres”, Ann.Télécommun. 50, no. 1, pp. 77-97, 1995.

[3] L. Thibaut, “L’amplification optique dans les réseaux terrestres detransport: la famille 1610 OA”, Communication & Transmission 1, p. 27-34, janv./fév. 1993.

[4] J. Hecht, “Understanding Fiber Optics”, second edition, Samspublishing, pp. 161-172, 1993.

[5] P.M. Gabla, O. Scaramucci, “Liaisons par fibres optiques à longue portéeet haut débit avec amplification optique”, Communication &Transmission 3, pp. 67-74, 1992.

[6] R. Heidemann et al. “10-GB/s Transmission and Beyond”, Proc. IEEE,vol. 81, no. 11, pp. 1558-1567, novembre 1993.

[7] Manuels du logiciel COMSIS Version 6.2, Société I.P.S.I.S, CessonSévigné, France

[8] T. Li, “The impact of Optical Amplifiers on Long-Distance LightwaveTelecommunications”, Proc. IEEE, vol. 81 , no. 11, pp. 1568-1579,novembre 1993.

IASE 2ηenspm G 1–( )Bo=

η