Amplificateurs optiques

Définition

Les amplificateurs optiques sont des dispositifs permettant d'amplifier directement un signal optique, sans conversion préalable en signal électrique. Ils constituent une technologie clé pour les réseaux de communication optique. Associés à la technologie de multiplexage en longueur d'onde (WDM), qui permet la transmission de plusieurs canaux sur une même fibre, les amplificateurs optiques ont permis de transmettre plusieurs térabits de données sur des distances allant de quelques centaines de kilomètres jusqu'à des distances transocéaniques, offrant ainsi la capacité de données nécessaire aux réseaux de communication actuels et futurs. Les amplificateurs optiques jouent un rôle important dans la communication optique et la physique des lasers.

Les amplificateurs optiques couramment utilisés aujourd'hui comprennent l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium (EDFA), l'amplificateur Raman et l'amplificateur optique au silicium (SOA).

Amplificateur à fibre dopée à l'erbium (EDFA)

L'EDFA fonctionne grâce à une impureté infime, un ion erbium trivalent, inséré dans le cœur de silice de la fibre optique pour en modifier les propriétés optiques et permettre l'amplification du signal. Cette impureté infime est appelée dopant, et son insertion est appelée dopage. Les lasers de pompage, appelés bandes de pompage, insèrent des dopants dans la fibre de silice à une longueur d'onde de 980 ou 1480 nanomètres (nm), ce qui produit un gain, ou amplification, dans la bande C optique de 1550 nm. La bande de 1480 nm est généralement utilisée dans les amplificateurs de plus grande puissance. Les lasers de pompage fonctionnent de manière bidirectionnelle. Cette action amplifie un signal optique faible à une puissance supérieure, augmentant ainsi l'intensité du signal. Cependant, les EDFA sont généralement limités à 10 portées maximum, couvrant une distance maximale d'environ 800 kilomètres (km) et ne peuvent pas amplifier les longueurs d'onde inférieures à 1 525 nanomètres (nm). L'EDFA a été le premier amplificateur optique performant et a joué un rôle important dans le déploiement rapide des réseaux de fibre optique dans les années 1990.

Amplificateur Raman

Dans un amplificateur Raman, le signal est amplifié par diffusion Raman stimulée (SRS). La diffusion Raman est un processus par lequel la lumière est diffusée par des molécules d'une longueur d'onde inférieure vers une longueur d'onde supérieure. Lorsqu'une puissance de pompage suffisamment élevée est présente à une longueur d'onde inférieure, une diffusion stimulée peut se produire : un signal de longueur d'onde supérieure est amplifié par la diffusion Raman de la lumière de pompage. La SRS est une interaction non linéaire entre le signal (longueur d'onde supérieure ; par exemple 1 550 nm) et la pompe (longueur d'onde inférieure ; par exemple 1 450 nm) et peut se produire dans n'importe quelle fibre optique. Cependant, dans la plupart des fibres, l'efficacité du processus SRS est faible, ce qui signifie qu'une puissance de pompage élevée (généralement supérieure à 1 W) est nécessaire pour obtenir un gain de signal utile. Par conséquent, dans la plupart des cas, les amplificateurs Raman ne peuvent pas concurrencer efficacement les amplificateurs EDFA. L'amplification Raman offre deux avantages uniques par rapport aux autres technologies d'amplification. Le premier avantage est que la bande de longueurs d'onde d'amplification de l'amplificateur Raman peut être ajustée en modifiant les longueurs d'onde de pompage, ce qui permet d'obtenir une amplification à des longueurs d'onde non prises en charge par les technologies concurrentes. L'autre avantage, plus important, est que l'amplification peut être réalisée au sein même de la fibre de transmission, permettant ce que l'on appelle l'amplification Raman distribuée (DRA). Les amplificateurs Raman sont généralement utilisés avec des amplificateurs EDFA pour fournir des amplificateurs combinés à très faible NF, utiles dans des applications telles que les liaisons longues sans amplificateur en ligne, les liaisons ultra-longues couvrant des milliers de kilomètres ou les liaisons à très haut débit (40/100 Gbit/s).

Amplificateur optique au silicium

Les SOA sont des amplificateurs utilisant un semi-conducteur comme milieu de gain. Ils fonctionnent de manière similaire aux lasers à semi-conducteurs standard (sans rétroaction optique provoquant l'effet laser) et sont conditionnés dans de petits boîtiers semi-conducteurs « papillon ». Comparés aux autres amplificateurs optiques, les SOA sont pompés électroniquement (c'est-à-dire directement par l'application d'un courant), et aucun laser de pompage séparé n'est requis. Cependant, de par leur petite taille et leur coût potentiellement faible grâce à leur production de masse, les SOA présentent plusieurs inconvénients qui les rendent inadaptés à la plupart des applications. En particulier, leur gain est relativement faible.

Propriétés des amplificateurs optiques