FR2739981A1 - Amplificateur de signaux optiques et procede d'amplification correspondant - Google Patents

Abstract

Un amplificateur de signaux optiques à gain régulé optiquement comprend une entrée, une sortie, un guide d'onde (4) reliant l'entrée à la sortie, et comportant un milieu actif régulé (17) capable d'émettre de la lumière sous l'effet d'une excitation, des moyens d'excitation du milieu actif régulé (17), et une boucle de contre-réaction optique (18, 19), sélective en longueur d'onde, incluant le milieu actif régulé (17). Le guide d'onde (4) comporte un milieu actif préliminaire (16) disposé entre l'entrée et le milieu actif régulé (17), capable d'émettre de la lumière sous l'effet d'une excitation par les moyens d'excitation, assurant un niveau de bruit faible.

Description

La présente invention concerne le domaine des amplificateurs optiques, et a plus précisément pour objet un amplificateur de signaux optiques à gain régulé optiquement et un procédé d'amplification correspondant.

Les amplificateurs à fibre optique dopée avec un ion de terre rare sont utilisés pour amplifier directement dans le domaine optique des signaux se propageant sur des fibres, en général unimodales. Ils comportent une fibre dopée avec une terre rare associée à une source de pompage qui est le moyen d'excitation, permettant une amplification optique par émission stimulée. La fibre est habituellement dopée avec de l'erbium, l'amplificateur étant alors de type EDFA (Er-Doped Fiber Amplifier) et l'amplification se produisant autour de 1550 nm. La source de pompage est en général une diode laser émettant autour de 980 nm ou 1480 nm. Les amplificateurs à fibre optique produisent un gain G, exprimé pour un signal d'entrée donné générant un signal de sortie après passage dans l'amplificateur, comme le rapport entre les intensités du signal de sortie et du signal d'entrée.

Le signal d'entrée est en général modulé dans une bande de fréquences élevées (au-dessus de 1 Mhz) et supérieures à la fréquence de coupure de la dynamique du gain de l'amplificateur optique. De la sorte, le gain de l'amplificateur est défini par rapport aux puissances moyennes du signal, prises à l'entrée et à la sortie de l'amplificateur.

Dans la suite du texte, le terme "puissance" désignera la puissance moyenne du signal.

Les amplificateurs à fibre optique traditionnels ont pour inconvénient de produire un gain dépendant de la puissance du signal d'entrée et d'autres paramètres, tels que la longueur d'onde et la puissance du pompage. Ceci est pénalisant, par exemple, dans des systèmes de communication à commutation de paquets, pour lesquels des variations occasionnelles de trafic provoquent des pénalisations en puissance.

Pour surmonter cet inconvénient, il a été proposé des amplificateurs à fibre optique à gain régulé optiquement. Un tel amplificateur comporte deux miroirs disposés de part et d'autre de la fibre dopée, formant une boucle de contre-réaction optique. Les miroirs sont choisis de façon à provoquer un effet laser à une longueur d'onde d'oscillation en dehors d'une bande utile de longueurs d'onde pour laquelle est effectuée l'amplification du signal d'entrée.

Ainsi, DELEVAQUE et al. dans "Gain control in erbium-doped fibre amplifiers by lasing at 1480 nm with photoinduced Bragg gratings written on fibre ends", Electronics Letters, vol. 29, N" 12, pp. 1112-1113, 1993, proposent un amplificateur à fibre dopée à l'erbium comportant deux réflecteurs de Bragg à 1480 nm photo-inscrits aux deux extrémités de la fibre dopée. L'oscillation laser provoquée par les miroirs maintient le gain à une valeur constante en fonction de la puissance d'entrée, pour toute longueur d'onde d'amplification fixée.

Cette régulation du gain G peut être expliquée au moyen de l'interprétation physique qui suit.

On note R1 et R2 les coefficients de réflexion des deux miroirs de régulation, respectivement situés vers l'entrée et vers la sortie de l'amplificateur, et on désigne par RO la longueur d'onde d'oscillation correspondante. Le gain Go obtenu à la longueur d'onde SO est alors donnée par:
,2 1 R1R2
Le gain du milieu à la longueur d'onde kO du laser est ainsi lié de manière univoque à la réflexion des miroirs, et est indépendant de la puissance moyenne d'entrée Pin.L'inversion de population x étant obtenue de façon univoque à partir du gain G,, le gain G de l'amplificateur à la longueur d'onde x du signal d'entrée est lui-même indépendant de la puissance d'entrée Pin et des paramètres susceptibles de l'affecter, tels que la longueur d'onde et la puissance du pompage.

Les miroirs de régulation définissent avantageusement une longueur d'onde d'oscillation SO proche du pic de gain en longueur d'onde, de façon à obtenir une bonne stabilité du gain G par rapport à la puissance d'entrée Pin.

Ceci apparaît en particulier dans l'Article de MASSICOTT et al. "1480 nm pumped erbium doped fibre amplifier with all optical automatic gain control",
Electronics Letters, vol. 30, N" 12, pp. 962-964, 1994, qui décrit un amplificateur à fibre dopée erbium pompée à 1480 nm. L'amplificateur comprend des réflecteurs à réseau de Bragg produisant un effet laser à 1520 nm, régulateur de gain.

Les amplificateurs à gain régulé précédemment cités s'avèrent cependant admettre un niveau de bruit sensiblement plus élevé qu'en l'absence de régulation. Plus précisément, le bruit en sortie d'un amplificateur optique peut être considéré comme composé d'un effet de source, d'un effet de détecteur et surtout, d'un facteur de bruit F, exprimé en dB, représentatif du bruit lié à l'amplification elle-même. Le facteur de bruit F est défini comme la dégradation du rapport signal à bruit, ou SNR (Signal to Noise Ratio) d'un signal optique parfait détecté par un détecteur également parfait.En notant
SNRin et SNRout, respectivement, les rapports signal à bruit en entrée et en sortie de l'amplificateur, on a ainsi
F SNRin
SNRout
Le facteur de bruit F est dû à l'émission, dans la bande utile de longueurs d'onde, d'une émission spontanée amplifiée ou ASE (Amplified Spontaneous
Emission) intrinsèque au processus d'amplification. I1 est au mieux égal à 3 dB dans le régime des forts gains, pour un amplificateur optique parfait.

Les systèmes de régulation décrits précédemment entraînent une dégradation (une augmentation) du facteur de bruit F. Cette dégradation s'explique physiquement par le fait que l'inversion de population est fixée à une valeur inférieure à celle obtenue en l'absence de régulation, le facteur de bruit
F étant d'autant moins bon que l'inversion de population est plus faible.

La présente invention a pour but un amplificateur de signaux optiques ayant un gain G régulé optiquement par rapport à la puissance d'entrée Pin, et un facteur de bruit F voisin de celui obtenu en l'absence de régulation.

L'invention a également pour but un tel amplificateur simple et peu coûteux par rapport aux amplificateurs à gain régulé optiquement existants.

L'invention vise aussi un amplificateur à gain régulé, à la fois par rapport à la puissance d'entrée Pin et par rapport à la longueur d'onde x du signal, assurant un niveau de bruit faible.

De plus, l'invention a pour but un procédé d'amplification d'un signal optique permettant d'obtenir, à la fois un gain G régulé par rapport à la puissance d'entrée Pin et un niveau de bruit faible.

L'invention a ainsi pour objet un amplificateur de signaux optiques à gain régulé optiquement, comprenant
- au moins une entrée destinée à recevoir un signal optique d'entrée,
- au moins une sortie destinée à produire un signal optique de sortie à partir du signal optique d'entrée,
- au moins un guide d'onde reliant l'entrée à la sortie, et comportant un milieu actif régulé capable d'émettre de la lumière sous l'effet d'une excitation,
- au moins un moyen d'excitation du milieu actif régulé,
- une boucle de contre-réaction optique, sélective en longueur d'onde, incluant le milieu actif régulé.

Selon l'invention, le guide d'onde comporte un milieu actif préliminaire disposé entre l'entrée et le milieu actif régulé, capable d'émettre de la lumière sous l'effet d'une excitation par le moyen d'excitation, assurant un niveau de bruit faible.

La boucle de contre-réaction constituée, par exemple, de deux miroirs disposés de part et d'autre du milieu actif régulé, est, comme dans les amplificateurs connus à gain régulé optiquement, sélective en longueur d'onde, tout en étant transparente au moyen d'excitation. L'amplificateur amplifiant le signal d'entrée dans une bande utile de longueurs d'onde, les miroirs de régulation sont choisis de façon à produire un effet laser en dehors de cette bande utile.

L'amplificateur selon l'invention se distingue des amplificateurs à gain régulé précédemment décrits, puisqu'il combine un milieu actif régulé avec un milieu actif préliminaire. I1 permet ainsi, à la fois d'obtenir un gain G indépendant de la puissance d'entrée Pin, de la longueur d'onde de pompage et de la puissance de pompage, et un facteur de bruit F faible. Ce dernier est ainsi aisément rendu inférieur à 4,5 dB, alors qu'un amplificateur optique parfait a au mieux un facteur de bruit F de 3 dB dans le régime des forts gains.

Avantageusement, la boucle de contre-réaction comprend deux miroirs de régulation, disposés de part et d'autre du milieu actif régulé, constitués dans une forme de réalisation préférée par des réseaux de Bragg photo-inscrits dans une fibre optique.

L'amplificateur selon l'invention admet avantageusement l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises séparément ou en combinaison
- le guide d'onde comporte une fibre optique dopée au moins partiellement avec une terre rare, préférentiellement de l'erbium, les parties dopées constituant les milieux actifs
- le moyen d'excitation est une diode laser couplée au guide d'onde
- l'amplificateur comprend des isolateurs, respectivement à l'entrée et à la sortie, destinés à diminuer l'influence de réflexions parasites de signaux optiques;;
- l'amplificateur comprend un circulateur optique ayant au moins trois portes dont une première est reliée à l'entrée, une deuxième à la sortie et une troisième au milieu actif préliminaire
- les milieux actifs préliminaire et régulé ont des longueurs ayant un rapport compris entre 1/10sème et 1/3.

Dans une forme de réalisation préférée, l'amplificateur comporte un filtre dissipatif disposé sur le guide d'onde, préférentiellement au sein du milieu actif régulé, ayant une fonction d'aplanissement de la courbe du gain en fonction de la longueur d'onde du signal.

Le gain G est ainsi régulé, à la fois par rapport à la puissance d'entrée
Pin et par rapport à la longueur d'onde X du signal d'entrée.

L'amplificateur selon l'invention peut ainsi être utilisé avec plusieurs signaux d'entrée simultanés situés à différentes longueurs d'onde (transmission multi-longueurs d'onde).

Dans un mode de réalisation avantageux de l'amplificateur selon l'invention, il comprend un multiplexeur ayant une première porte d'entrée reliée au moyen d'excitation, une seconde porte d'entrée reliée à l'entrée de l'amplificateur, et une porte de sortie reliée au milieu actif préliminaire. Le multiplexeur transmet de la lumière sélectivement entre la première porte d'entrée et la porte de sortie pour une longueur d'onde d'excitation des milieux actifs, et entre la seconde porte d'entrée et la porte de sortie pour une bande utile de longueurs d'onde d'amplification du signal d'entrée. Le milieu actif préliminaire est relié au milieu actif régulé aboutissant à la sortie de l'amplificateur.

L'invention a également pour objet un procédé d'amplification d'un signal optique d'entrée, tel que
- on entre le signal d'entrée dans un amplificateur,
- on fait passer le signal d'entrée dans au moins un milieu actif régulé, excité par au moins un moyen d'excitation, en produisant une contre-réaction optique par une boucle de contre-réaction optique, sélective en longueur d'onde, incluant le milieu actif régulé, de façon à obtenir un signal optique de sortie,
- on récupère le signal de sortie en sortie de l'amplificateur.

Selon l'invention, avant de faire passer le signal d'entrée dans le milieu actif régulé, on le fait passer dans au moins un milieu actif préliminaire excité par au moins un moyen d'excitation, de façon à assurer un niveau de bruit faible.

La présente invention va maintenant être illustrée en regard aux dessins annexés, sur lesquels
- la Figure 1 représente un premier mode de réalisation d'un amplificateur de signaux optiques à gain régulé selon l'invention;
- la Figure 2 montre une première forme de réalisation du milieu actif de l'amplificateur de la Figure 1
- la Figure 3 schématise la courbe du gain G, exprimée en dB, en fonction de la puissance d'entrée Pin, exprimée en dBm, pour l'amplificateur de la Figure 1 muni du milieu actif de la Figure 2
- la Figure 4 montre un second mode de réalisation du milieu actif de l'amplificateur de la Figure 1, comportant un filtre en longueur d'onde
- la Figure 5 schématise la courbe de transmission du filtre présent dans le milieu actif de la Figure 4, exprimée en dB, en fonction de la longueur d'onde X, exprimée en nm;;
- la Figure 6 schématise la courbe du gain G de l'amplificateur de la
Figure 1 muni du milieu actif de la Figure 4, exprimée en dB, en fonction de la longueur d'onde X, exprimée en nm
- la Figure 7 représente un deuxième mode de réalisation de l'amplificateur selon l'invention;
- la Figure 8 représente un troisième mode de réalisation de l'amplificateur selon l'invention, avec deux diodes de pompage
- la Figure 9 représente un quatrième mode de réalisation de l'amplificateur selon l'invention, avec deux diodes de pompage
- la Figure 10 représente un cinquième mode de réalisation de l'amplificateur selon l'invention, avec double passage du signal optique.

Sur les Figures, des éléments analogues ont été affectés des mêmes références numériques.

Un amplificateur de signaux optiques, tel qu'il apparaît référencé 1 dans un premier mode de réalisation représenté sur la Figure 1, comporte une entrée 2 destinée à recevoir un signal optique d'entrée 21 et une sortie 3 par laquelle est produit un signal optique de sortie 22 à partir du signal optique d'entrée 21. L'amplificateur 1 comporte classiquement un milieu actif 5 comprenant une fibre dopée avec une terre rare, et une diode de pompage 6 destinée à effectuer un pompage optique de cette fibre, à une longueur d'onde de pompage Xp de la terre rare. La fibre contenue dans le milieu actif 5 est habituellement dopée à l'erbium et la longueur d'onde Xp vaut alors, par exemple, 980 nm ou 1480 nm.Elle peut également être dopée avec un autre composé tel que, par exemple, du germanium, de l'aluminium ou une autre terre rare telle que le praséodyme, l'ytterbium ou le néodyme.

L'ensemble des éléments de l'amplificateur 1, l'entrée 2 et la sortie 3 sont reliés par des fibres optiques 4. Celles-ci sont, par exemple, unimodales, mais peuvent également être multimodales.

Les fibres 4 comportent préférentiellement un coeur de faible diamètre, de façon à confiner l'énergie. A titre d'exemple, les fibres 4 ont une gaine d'un diamètre de 125 ptm et un coeur de diamètre 3 clam.

L'amplificateur 1 comprend un multiplexeur 2 x 1 référencé 10 ayant deux portes d'entrée 1 1 et 12 et une porte de sortie 13. Une première porte d'entrée 1 1 est reliée à la diode de pompage 6, et la seconde porte d'entrée 12 conduit à l'entrée 2. La porte de sortie 13 est reliée au milieu actif 5 qui conduit à la sortie 3. Des isolateurs 8 et 9 sont interposés respectivement entre l'entrée 2 et la seconde porte d'entrée 12 du multiplexeur 10, et entre le milieu actif 5 et la sortie 3. Ces isolateurs 8 et 9 servent à diminuer l'influence de réflexions augmentant le bruit de l'amplificateur 1, et risquant même de provoquer une émission laser. Ils peuvent être remplacés par d'autres moyens, tels qu'un absorbant ou un circulateur optique remplissant la même fonction, ou être employés en association avec eux.

Le multiplexeur 10 est un multiplexeur en longueur d'onde ayant des propriétés qui varient avec les longueurs d'onde de la lumière le traversant.

Pour la longueur d'onde de pompage Ap, la lumière traverse le multiplexeur 10 exclusivement entre la première porte d'entrée 1 1 et la porte de sortie 13. En revanche, pour une bande utile de longueurs d'onde du signal d'entrée 21, la lumière circule exclusivement entre la seconde porte d'entrée 12 et la porte de sortie 13.

Selon une première forme de réalisation du milieu actif 5, référencée 5a et montrée sur la Figure 2, le milieu actif Sa comporte, successivement, dans le sens du multiplexeur 10 vers la sortie 3, un milieu actif préliminaire 16 et un milieu actif régulé 17. Ces milieux actifs préliminaire 16 et régulé 17 contiennent la fibre dopée avec une terre rare et ont, respectivement, pour longueurs L1 et L2. La longueur L2 est plusieurs fois supérieure à la longueur
L1, le rapport entre les deux longueurs L2, L1 étant avantageusement compris entre 3 et 10.

Deux miroirs de régulation 18 et 19 sont respectivement disposés aux deux extrémités du milieu actif régulé 17. Sélectifs en longueurs d'onde, ils ont pour fonction de former une boucle optique de contre-réaction produisant un effet laser à une longueur d'onde d'oscillation A0. Ils sont, de plus, transparents à la longueur d'onde de pompage Xp. Les miroirs de régulation 18 et 19 sont avantageusement réalisés par des réseaux de Bragg photo-inscrits, car ils permettent alors une grande simplicité de réalisation, peuvent être directement réalisés sur la fibre dopée et peuvent avoir une finesse élevée. La longueur d'onde d'oscillation X0 est choisie en dehors de la bande utile d'amplification, et peut être située à une valeur inférieure ou supérieure.

Un premier miroir de régulation 18 ayant un coefficient de réflexion R1 est disposé du côté du milieu actif préliminaire 16, tandis que le second miroir de régulation 19 ayant un coefficient de réflexion R2 est placé vers la sortie 3. Avantageusement, le coefficient R1 vaut 1. Le milieu actif régulé 17, entouré par les miroirs de régulation 18 et 19, a un gain Go à la longueur d'onde d'oscillation ho, donné par = RlR2
En fonctionnement, un signal optique d'entrée 21 est envoyé vers l'entrée 2 de l'amplificateur 1. Ce signal 21 a un spectre réparti autour d'une ou de plusieurs longueurs d'onde, inclus dans une bande utile de longueurs d'onde d'amplification. La diode de pompage 6 émet simultanément une onde de pompage 20.Le signal optique d'entrée 21 et l'onde de pompage 20 parviennent ainsi au milieu actif Sa par l'intermédiaire du multiplexeur 10.

L'onde de pompage 20 amplifie des photons du signal d'entrée 21 dans la direction axiale de la fibre dopée, conduisant à une amplification par émission stimulée. Le signal optique d'entrée 21, amplifié par les émissions de la terre rare, devient le signal optique de sortie 22 en sortie du milieu actif Sa. Le gain
G de l'amplificateur 1, défini par le rapport des intensités du signal de sortie 22 au signal d'entrée 21, est ainsi sensiblement supérieur à O dB.

L'amplification du signal optique d'entrée 21 au sein du milieu actif Sa peut être décomposée en deux étapes. Le signal d'entrée 21 subit une préamplification dans le milieu actif préliminaire 16, puis une amplification avec contre-réaction optique dans le milieu actif régulé 17. L'amplification avec contre-réaction a pour effet de rendre le gain G sensiblement indépendant de la puissance moyenne d'entrée Pin du signal d'entrée 21, pour une large gamme de puissance. La pré-amplification dans le milieu actif préliminaire 16 permet, quant à elle, de maintenir le facteur de bruit F de l'amplificateur 1 à une valeur faible. En effet, le gain G n'y étant pas régulé, I'inversion de population x y est maximale.

Typiquement, l'inversion de population est proche de 1 dans le milieu actif préliminaire 16 et vaut 0,7 dans le milieu actif régulé 17.

Les caractéristiques du milieu actif Sa sont déterminées de façon à optimiser ses propriétés en fonction de critères souhaités concernant le facteur de bruit F et les variations du gain G en fonction de la puissance d'entrée Pin.

En particulier, il est possible d'agir sur le coefficient de réflexion R2 du miroir de régulation 19 de façon à abaisser le gain G jusqu'à une valeur stable.

D'autre part, les longueurs L1 et L2 sont déterminantes pour définir les propriétés du milieu actif Sa : plus le rapport L2/L1 est grand, meilleure est la régulation du gain G en fonction de la puissance d'entrée Pin, mais plus grande est la dégradation du facteur de bruit F, la diminution du rapport L2/L1 ayant des effets inverses. Un compromis doit donc être adopté de façon à obtenir à la fois un facteur de bruit F et un écart à la régulation satisfaisants. Typiquement, la dégradation du facteur de bruit F est de l'ordre de 0,5 dB par rapport à une absence de régulation, ou à un miroir de régulation 19 totalement transparent, et l'écart à la régulation est inférieur à 1 dB.

Dans un exemple particulier d'application, le milieu actif Sa comprend une fibre dopée à l'erbium de dopage 500 ppm pompée à la longueur d'onde Xp égale à 980 nm avec une puissance de 80 mW. Le milieu actif Sa a une longueur totale de fibre égale à 20 m, les longueurs L1 et L2 des milieux actifs préliminaire 16 et régulé 17 étant approximativement égales à 4 m et 16 m. La longueur d'onde d'absorption et de gain maximaux, qui dépend de la longueur de fibre et de la puissance de pompage, vaut alors 1530 nm, le dopage de la fibre correspondant à 3 dB/m d'atténuation ionique à cette longueur d'onde. La longueur d'onde d'oscillation est, par exemple, choisie égale à 1480 nm ou 1580 nm.

A une longueur d'onde typique de 1550 nm, les milieux actifs préliminaire 16 et régulé 17 ont ainsi des gains G1 et G2, respectivement égaux à 8 dB et 18 dB, et des facteurs de bruit F1 et F2, respectivement égaux à 4 dB et 5,5 dB. Le gain G total de l'amplificateur 1 est alors donné par:
G = G1 + G2 = 26 dB et le facteur de bruit F total, par
F=Fl+ F2 1-4,5dB Gi
Pour une puissance d'entrée Pin typiquement égale à - 20 dBm, le milieu actif préliminaire 16 a une puissance de sortie valant - 12 dBm, de telle sorte que la variation du gain G avec la puissance d'entrée Pin est faible, et la puissance de sortie Pout du signal de sortie 22 vaut 6 dBm.D'autre part, le facteur de bruit F global est inférieur de 1 dB à celui F2 du milieu actif régulé 17.

La dépendance du gain G par rapport à la puissance d'entrée Pin peut être schématisée par une courbe 25 de gain, rapportée à des axes 26 et 27, respectivement de puissance d'entrée Pin et de gain G, comme ceci apparaît sur la Figure 3. On constate que la courbe 25 de gain présente un palier 29 à une valeur d'environ 26 dB, s'étendant de - 40 dBm à - 15 dBm. On observe donc une grande stabilité du gain G en fonction de la puissance d'entrée Pin. La courbe 25 de gain avec régulation peut être comparée à celle 28 obtenue sans régulation. On constate que la courbe 28 subit des variations importantes dans la gamme de puissance d'entrée Pin correspondant au palier 29, ces variations s'étendant de 26 dB à 40 dB. La régulation obtenue avec l'amplificateur 1 est donc particulièrement efficace.

L'amplificateur 1 à gain régulé peut être utilisé pour une longueur d'onde donnée du signal d'entrée 21, mais aussi pour plusieurs signaux simultanés situés à différentes longueurs d'onde, dans un système de transmission multi-longueurs d'onde. Dans ce dernier cas, la régulation du gain
G est effective pour chaque longueur d'onde, mais le gain peut être différent suivant les longueurs d'onde.

Une seconde forme de réalisation du milieu actif S, référencée Sb et représentée sur la Figure 4, permet de supprimer avantageusement la dépendance du gain G avec les longueurs d'onde, tout en conservant des propriétés de faible bruit et de faible écart à la régulation. Le filtre dissipatif 30 a pour fonction de supprimer la dépendance en longueur d'onde du gain G, dans une gamme donnée de longueurs d'onde.

Le filtre dissipatif 30 est avantageusement constitué par un réseau de
Bragg photo-inscrit, tel que celui exposé par KASHYAP et al., dans "Wideband gain flattened erbium fibre amplifier using a photosensitive fibre blazed grating", Electronics Letters, vol. 29, N" 2, 1993. Le filtre dissipatif 30 admet une courbe de transmission 32 en longueur d'onde ayant l'allure suivante rapportée à des axes 33 et 34, respectivement de longueur d'onde et de transmission, et représentée sur la Figure S. La courbe 32 reste sensiblement stationnaire à 0 dB en deçà de 1510 nm et au-delà de 1570 nm. Entre 1510 nm et 1570 nm, la courbe 32 admet une cuvette 35 atteignant un minimum de transmission environ égale à - 15 dB, correspondant à une forte dissipation.

Le filtre dissipatif 30 a pour effet d'aplanir la courbe de gain G en longueur d'onde, comme on peut le voir sur la Figure 6. La courbe 36 du gain
G présente en effet un plateau 38 situé à une valeur du gain G environ égale à 24 dB, entre 1510 nm et 1570 nm. La courbe 36 peut être comparée à celle 37 obtenue en l'absence du filtre dissipatif 30 avec le milieu actif Sa (Figure 2). La courbe 37 subit en effet d'importantes variations dans la gamme de longueurs d'onde correspondant au plateau 38, variations comprises entre 24 dB et 40 dB.

L'amplificateur 1 muni du milieu actif Sb produit donc un gain G à la fois stable en longueur d'onde et par rapport à la puissance d'entrée Pin, avec un niveau de bruit faible.

L'amplificateur 1 constituant un amplificateur avec une simple source de pompage copropagative, un deuxième mode de réalisation référencé 15, représenté sur la Figure 7, propose un amplificateur avec une simple source de pompage contrapropagative. Cet amplificateur 15 comprend des éléments similaires à ceux de l'amplificateur 1, mais disposés différemment. L'entrée 2 de l'amplificateur 15 est reliée au milieu actif S par l'intermédiaire du premier isolateur 8, le milieu actif S étant raccordé à la porte de sortie 13 du multiplexeur 10. La première porte d'entrée 1 1 est reliée à la diode de pompage 6 et la seconde porte d'entrée 12 conduit à la sortie 3 par l'intermédiaire du deuxième isolateur 9. Ainsi, contrairement au mode de réalisation précédent, l'onde de pompage 20 se propage dans un sens opposé à celui du signal optique d'entrée 21.

Dans un troisième mode de réalisation de l'amplificateur selon l'invention, référencé 40 et représenté sur la Figure 8, est proposé un amplificateur avec double pompage copropagatif. Cet amplificateur 40 comporte deux diodes de pompage 43 et 44 agissant respectivement sur deux milieux actifs 41 et 42. Les milieux actifs 41 et 42 peuvent être des types Sa et 5b décrits plus haut. L'amplificateur 40 comprend deux multiplexeurs 2 x 1, référencés respectivement 50 et 55.

Un premier multiplexeur 50 comporte deux portes d'entrée 51 et 52 et une porte de sortie 53, et le second multiplexeur 55 comporte deux portes d'entrée 56 et 57 et une porte de sortie 58. Le multiplexeur 50 a une première porte d'entrée 51 reliée à la première diode de pompage 43, et sa seconde porte d'entrée 52 reliée à l'entrée 2 par l'intermédiaire du premier isolateur 8. La porte de sortie 53 du multiplexeur 50 est raccordée au premier milieu actif 41.

Le multiplexeur 50 transmet de la lumière sélectivement entre la première porte d'entrée 51 et la porte de sortie 53 pour une longueur d'onde de pompage Xpl employée pour le pompage par la première diode de pompage 43 de la fibre dopée contenue dans le premier milieu actif 41. La lumière est transmise entre la seconde porte d'entrée 52 et la porte de sortie 53 pour une bande utile de longueurs d'onde d'amplification du signal d'entrée 21.

Le second multiplexeur 55 a une première porte d'entrée 56 reliée au premier milieu actif 41, sa seconde porte d'entrée 57 à la seconde diode de pompage 44 et sa porte de sortie 58 au second milieu actif 42. Le multiplexeur 55 transmet de la lumière sélectivement entre la seconde porte d'entrée 57 et la porte de sortie 58 pour une longueur d'onde de pompage Xp2 employée pour le pompage par la seconde diode de pompage 44 du second milieu actif 42, et entre sa première porte d'entrée 56 et sa porte de sortie 58 pour une bande utile de longueurs d'onde d'amplification du signal d'entrée 21. Le second milieu actif 42 conduit à la sortie 3 de l'amplificateur 40 par l'intermédiaire de l'isolateur 9.

En fonctionnement, le signal optique d'entrée 21 est reçu dans l'entrée 2 de l'amplificateur 40, les diodes de pompage 43 et 44 émettant respectivement des ondes de pompage 61 et 62. Le signal optique d'entrée 21 et l'onde de pompage 61 parviennent simultanément au premier milieu actif 41, qui amplifie le signal d'entrée 21 en un signal amplifié intermédiaire 63. Ce signal amplifié intermédiaire 63 et l'onde de pompage 62 parviennent ensuite simultanément au second milieu actif 42, qui amplifie le signal 63 en le signal optique de sortie 22.

Un quatrième mode de réalisation, référencé 65 et représenté sur la
Figure 9, concerne un amplificateur à double pompage copropagatif et contrapropagatif. I1 comprend un unique milieu actif 5 et des éléments similaires à ceux du troisième mode de réalisation (Figure 8), mais agencés différemment. En effet, la porte de sortie 58 du second multiplexeur 55 est reliée au milieu actif S, sa seconde porte d'entrée 57 à la seconde diode de pompage 44, et sa première porte d'entrée 56 conduit à la sortie 3 par l'intermédiaire de l'isolateur 9.Le multiplexeur 55 de ce quatrième mode de réalisation transmet de la lumière sélectivement entre la porte de sortie 58 et la seconde porte d'entrée 57 pour la longueur d'onde de pompage Xp2 de la seconde diode de pompage 44, et entre la première porte d'entrée 56 et la porte de sortie 58 pour une bande utile de longueurs d'onde d'amplification du signal d'entrée 21. Ainsi, en fonctionnement, le milieu actif S est-il doublement excité par les diodes de pompage 43 et 44, envoyant respectivement les ondes de pompage 61 et 62. Il produit le signal de sortie 22 dans le même sens que la première onde de pompage 61, mais dans un sens opposé à celui de la seconde onde de pompage 62.

Un cinquième mode de réalisation référencé 70, représenté sur la
Figure 10, a trait à un amplificateur à double passage du signal. Cet amplificateur 70 comporte, outre le milieu actif 5, la diode de pompage 6 et le multiplexeur 10 décrits précédemment, un miroir d'inversion 71 et un circulateur 72 à trois portes 73, 74 et 75. Le circulateur 72 est réalisé de façon à ce qu'un signal optique y circule dans le sens des aiguilles d'une montre, les trois portes 73, 74 et 75 étant agencées dans ce sens. Un signal optique entrant par la première porte 73 ressort par la deuxième porte 74, et un signal optique entrant par la deuxième porte 74 ressort par la troisième 75. La première porte 73 est reliée à l'entrée 2, la troisième porte 75 à la sortie 3 et la deuxième porte 74 à la seconde porte d'entrée 12 du multiplexeur 10.La première porte d'entrée 1 1 du multiplexeur 10 est reliée à la diode de pompage 6, et sa porte de sortie 13 au milieu actif S. Le milieu actif S est relié, du côté opposé au multiplexeur 10, au miroir d'inversion 71.

En fonctionnement, le signal optique d'entrée 21 parvient à la première porte 73 du circulateur 72 et ressort par sa deuxième porte 74, pour se diriger vers le milieu actif S. Simultanément, l'onde de pompage 20 est envoyée vers le milieu actif S par la diode de pompage 6. Sous l'effet de l'excitation due à l'onde de pompage 20, le milieu actif 5 amplifie le signal d'entrée 21 en un signal amplifié intermédiaire 76. Ce signal 76 est réfléchi par le miroir d'inversion 71 et repasse dans le milieu actif 5, qui l'amplifie de nouveau en le signal de sortie 22. Ce dernier, après être passé par le multiplexeur 10, parvient à la deuxième porte 74 du circulateur 72, et ressort par sa troisième porte 75 qui le conduit à la sortie 3.

Tous autres dispositifs atténuant ou évitant des réflexions multiples peuvent remplacer ou compléter la présence des isolateurs 8 et 9, tels que des absorbants optiques ou des circulateurs.

Les diodes de pompage 6, 43, 44 peuvent être remplacées par d'autres moyens d'excitation, tels que des lasers à fibre dopée avec un ion de terre rare.

De nombreux autres montages d'amplificateurs selon l'invention peuvent être réalisés sur la base des milieux actifs 5a ou 5b, comprenant une ou plusieurs sources de pompage et un ou plusieurs milieux actifs. En particulier, des milieux actifs conformes à l'invention peuvent être employés en relation avec d'autres milieux actifs classiques. D'autre part, les milieux actifs présents dans un amplificateur, ainsi que les sources de pompage correspondantes, peuvent être hétérogènes. La longueur d'onde de pompage Xp et la puissance de pompe peuvent ainsi différer selon les sources de pompage, tandis que la longueur de fibre dopée, la terre rare employée, le dopage et les propriétés des miroirs de régulation peuvent varier selon les milieux actifs. De plus, certains milieux actifs peuvent comporter des filtres dissipatifs et d'autres non.Ces différents types de dispositifs, permettant de cumuler des effets d'amplification, restent couverts par l'invention revendiquée.

Bien qu'il soit avantageux que le filtre dissipatif 30 soit disposé au sein du milieu actif régulé 17 (Figure 4), il est concevable de le placer, par exemple, à l'entrée 2 ou à la sortie 3 de l'amplificateur.

D'autres moyens que le filtre dissipatif 30 peuvent être employés pour réguler le gain G en longueur d'onde. Il est ainsi possible d'avoir recours à des fibres dopées à l'erbium avec un coeur dopé à l'alumine ou au phosphore. Des réseaux de Bragg dissipatifs photo-inscrits dans le coeur de fibre ou l'utilisation de fibre à double coeur (twin core) avec des caractéristiques de transmission appropriées sont également possibles.

La boucle de contre-réaction peut reposer sur une contre-réaction en anneau au lieu des deux miroirs de régulation 18 et 19.

Sans sortir du cadre de l'invention, il est possible d'utiliser un amplificateur laser à base de semi-conducteurs au lieu de fibres optiques. Dans ce cas, le moyen d'excitation est avantageusement un courant électrique.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Amplificateur (1, 15, 40, 65, 70) de signaux optiques à gain régulé optiquement, comprenant:

- au moins une entrée (2) destinée à recevoir un signal optique d'entrée (21),

- au moins une sortie (3) destinée à produire un signal optique de sortie (22) à partir du signal optique d'entrée (21),

- au moins un guide d'onde (4) reliant ladite entrée (2) à ladite sortie (3), et comportant un milieu actif régulé (17) capable d'émettre de la lumière sous l'effet d'une excitation (20, 61, 62),

- au moins un moyen d'excitation (6, 43, 44) du milieu actif régulé (17),

- une boucle de contre-réaction optique (18, 19), sélective en longueur d'onde, incluant le milieu actif régulé (17),

caractérisé en ce que ledit guide d'onde (4) comporte un milieu actif préliminaire (16) disposé entre ladite entrée (2) et ledit milieu actif régulé (17), capable d'émettre de la lumière sous l'effet d'une excitation (20, 61, 62) par ledit moyen d'excitation (6, 43, 44), assurant un niveau de bruit faible.

2. Amplificateur (1, 15, 40, 65, 70) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la boucle de contre-réaction comprend deux miroirs de régulation (18, 19), disposés de part et d'autre du milieu actif régulé (17), préférentiellement constitués par des réseaux de Bragg photo-inscrits dans une fibre optique.

3. Amplificateur (1, 15, 40, 65, 70) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit guide d'onde (4) comporte une fibre optique dopée au moins partiellement avec une terre rare, préférentiellement de l'erbium, les parties dopées constituant lesdits milieux actifs (16, 17).

4. Amplificateur (1, 15, 40, 65, 70) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit moyen d'excitation (6, 43, 44) est une diode laser couplée au guide d'onde (4).

5. Amplificateur (1, 15, 40, 65, 70) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des isolateurs (8, 9), respectivement à l'entrée (2) et à la sortie (3), destinés à diminuer l'influence de réflexions parasites de signaux optiques.

6. Amplificateur (70) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un circulateur (72) optique ayant au moins trois portes (73, 74, 75) dont une première (73) est reliée à l'entrée (2), une deuxième (75) à la sortie (3), et une troisième (74) au milieu actif préliminaire (16).

7. Amplificateur (1, 15, 40, 65, 70) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits milieux actifs préliminaire (16) et régulé (17) ont des longueurs (L1, L2) ayant un rapport compris entre l/lOème et 1/3.

8. Amplificateur (1, 15, 40, 65, 70) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un filtre dissipatif (30) disposé sur le guide d'onde (4), préférentiellement au sein du milieu actif régulé (17), ayant une fonction d'aplanissement de la courbe de gain en fonction de la longueur d'onde du signal.

9. Amplificateur (1, 40, 65, 70) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un multiplexeur (10, 50, 55) ayant une première porte d'entrée (11, 51, 57) reliée au moyen d'excitation (6, 43, 44), une seconde porte d'entrée (12, 52, 56) reliée à ladite entrée (2) de l'amplificateur (1, 40, 65, 70), et une porte de sortie (13, 53, 59) reliée au milieu actif préliminaire (16), ledit multiplexeur (10, 50, 55) transmettant de la lumière sélectivement entre la première porte d'entrée (11, 51, 57) et la porte de sortie (13, 53, 59) pour une longueur d'onde d'excitation desdits milieux actifs (16, 17), et entre la seconde porte d'entrée (12, 52, 56) et la porte de sortie (13, 53, 59) pour une bande utile de longueurs d'onde d'amplification du signal d'entrée (21), ledit milieu actif préliminaire (16) étant relié au milieu actif régulé (17) aboutissant à ladite sortie (3) de l'amplificateur (1, 40, 65, 70).

10. Procédé d'amplification d'un signal optique d'entrée (21), tel que

- on entre ledit signal d'entrée (21) dans un amplificateur (1, 15, 40, 65, 70),

- on fait passer ledit signal d'entrée (21) dans au moins un milieu actif régulé (17), excité par au moins un moyen d'excitation (6, 43, 44), en produisant une contre-réaction optique par une boucle de contre-réaction optique (18, 19), sélective en longueur d'onde, incluant ledit milieu actif régulé (17), de façon à obtenir un signal optique de sortie (22),

- on récupère ledit signal de sortie (22) en sortie (3) de l'amplificateur (1, 15,40,65,70),

caractérisé en ce qu'avant de faire passer ledit signal d'entrée (21) dans ledit milieu actif régulé (17), on le fait passer dans au moins un milieu actif préliminaire (16) excité par ledit moyen d'excitation (6, 43, 44), de façon à assurer un niveau de bruit faible.