Amplificateurs à fibre dopée à l'erbium (EDFA)

Les amplificateurs à fibre dopée à l'erbium (EDFA) utilisent des éléments de terres rares tels que l'erbium (Er3+) comme milieu d'amplification.Il est dopé dans le cœur de la fibre pendant le processus de fabrication.Il consiste en un court morceau de fibre (typiquement 10 m environ) en verre dans lequel une petite quantité contrôlée d'erbium est ajoutée comme dopant sous la forme d'un ion (Er3+).Ainsi, la fibre de silice agit comme un milieu hôte.Ce sont les dopants (erbium) plutôt que la fibre de silice qui déterminent la longueur d'onde de fonctionnement et la bande passante de gain.Les EDFA fonctionnent généralement dans la région de longueur d'onde de 1550 nm et peuvent offrir des capacités supérieures à 1 Tbps.Ainsi, ils sont largement utilisés dans les systèmes WDM.

Le principe d'émission stimulée est applicable pour le mécanisme d'amplification de l'EDFA.Lorsque le dopant (un ion erbium) est dans un état de haute énergie, un photon incident du signal optique d'entrée le stimulera.Il cède une partie de son énergie au dopant et revient à un état de moindre énergie (« émission stimulée ») plus stable.La figure ci-dessous montre la structure de base d'un EDFA.

1.1 Structure de base d'un EDFA

La diode laser de pompe produit normalement un signal optique de longueur d'onde (à 980 nm ou 1480 nm) à haute puissance (~ 10–200 mW).Ce signal est couplé au signal d'entrée de lumière dans la section dopée à l'erbium de la fibre de silice via un coupleur WDM.Les ions erbium absorberont cette énergie de signal de pompe et passeront à leur état excité.Une partie du signal lumineux de sortie est prélevée et renvoyée à l'entrée du laser de pompe via un filtre optique et un détecteur.Cela sert de mécanisme de contrôle de la puissance de rétroaction afin de faire des EDFA des amplificateurs autorégulateurs.Lorsque tous les électrons métastables sont consommés, aucune amplification supplémentaire ne se produit.Par conséquent, le système se stabilise automatiquement parce que la puissance optique de sortie de l'EDFA reste presque constante quelle que soit la fluctuation de la puissance d'entrée, le cas échéant.

1.2 Schéma fonctionnel simplifié d'un EDFA

La figure ci-dessus montre le schéma fonctionnel simplifié d'un EDFA dans lequel un signal de pompage du laser est ajouté à un signal optique d'entrée (à 1480 nm ou 980 nm) via un coupleur WDM.

Ce schéma montre un amplificateur EDF très basique.La longueur d'onde du signal de pompe (avec une puissance de pompe d'environ 50 mW) est de 1480 nm ou 980 nm.Une partie de ce signal de pompage est transférée au signal optique d'entrée par émission stimulée sur une courte longueur de fibre dopée à l'erbium.Il a un gain optique typique d'environ 5 à 15 dB et un facteur de bruit inférieur à 10 dB.Pour un fonctionnement à 1550 nm, il est possible d'obtenir un gain optique de 30 à 40 dB.

1.3 Réalisation pratique d'un EDFA

La figure ci-dessus illustre un fonctionnement simplifié d'un EDFA avec sa structure pratique lorsqu'il est utilisé dans une application WDM.

Comme indiqué, il comprend les principales parties suivantes :

• Un isolateur à l'entrée.Cela empêche le bruit généré par un EDFA de se propager vers l'extrémité de l'émetteur.

• Un coupleur WDM.Il combine le signal de données d'entrée optique à faible puissance de 1550 nm avec un signal optique de pompage à haute puissance (provenant d'une source de pompage telle qu'un laser) à une longueur d'onde de 980 nm.

• Une petite section de fibre de silice dopée à l'erbium.En fait, cela sert de milieu actif de l'EDFA.

• Un isolateur en sortie.Il aide à empêcher tout signal optique rétroréfléchi d'entrer dans la fibre de silice dopée à l'erbium.

Le signal de sortie final est un signal de données optiques amplifié de longueur d'onde de 1550 nm avec un signal de pompe de longueur d'onde résiduel de 980 nm.

Types d'amplificateurs à fibre dopée à l'erbium (EDFA)

Il existe deux types de structures d'amplificateurs à fibre dopée à l'erbium (EDFA) :

• EDFA avec pompe co-propagatrice

• EDFA avec pompe contre-propagation

La figure ci-dessous montre les pompes à contre-propagation et les pompes bidirectionnelles pouvant être utilisées dans les structures EDFA.

Différentes configurations de pompe

Une pompe co-propagative EDFA présente une puissance optique de sortie inférieure avec un faible bruit ;tandis qu'une pompe à contre-propagation EDFA fournit une puissance optique de sortie plus élevée mais produit également un bruit plus important.Dans un EDFA commercial typique, une pompe bidirectionnelle avec un pompage simultané de co-propagation et de contre-propagation est utilisée, ce qui se traduit par un gain optique relativement uniforme.

Application de l'EDFA comme amplificateur, en ligne et préamplificateur

Dans une application longue distance d'une liaison de communication par fibre optique, les EDFA peuvent être utilisés comme un amplificateur de suralimentation à la sortie de l'émetteur optique, un amplificateur optique en ligne avec la fibre optique ainsi qu'un préamplificateur juste avant le récepteur, comme indiqué dans la figure ci-dessus.

On peut noter que les EDFA en ligne sont placés à une distance de 20 à 100 km en fonction de la perte de fibre.Le signal d'entrée optique est à une longueur d'onde de 1,55 μm, tandis que les lasers de pompe fonctionnent à une longueur d'onde de 1,48 μm ou 980 nm.La longueur typique de la fibre dopée à l'erbium est de 10 à 50 m.

Mécanisme d'amplification dans les EDFA

Comme indiqué précédemment, le mécanisme d'amplification dans un EDFA est basé sur une émission stimulée similaire à celle du laser.La haute énergie du signal de pompe optique (produit par un autre laser) excite les ions erbium dopants (Er3+) dans une fibre de silice à l'état d'énergie supérieur.Le signal de données optique d'entrée stimule la transition des ions Erbium excités vers l'état d'énergie inférieure et entraîne le rayonnement de photons avec la même énergie, c'est-à-dire la même longueur d'onde que celle du signal optique d'entrée.

Diagramme de niveau d'énergie: Les ions Erbium libres présentent des niveaux discrets de la bande d'énergie.Lorsque les ions Erbium sont dopés dans une fibre de silice, chacun de leurs niveaux d'énergie se divise en un certain nombre de niveaux étroitement liés de manière à former une bande d'énergie.

1.4 Mécanisme d'amplification dans EDFA

Pour atteindre l'inversion de population, les ions Er3+ sont pompés au niveau intermédiaire 2. Dans la méthode indirecte (pompage à 980 nm), les ions Er3+ sont continuellement déplacés du niveau 1 au niveau 3. Il est suivi d'une désintégration non radiative au niveau 2, de où ils tombent au niveau 1, rayonnant les signaux optiques dans la longueur d'onde souhaitée de 1500 à 1600 nm.C'est ce qu'on appelle le mécanisme d'amplification à 3 niveaux.

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