Introduction

Depuis l’explosion de la bulle internet, les systèmes de télécommunications

nécessitent toujours plus de débit. Comparée aux autres supports de transmission

existants, la fibre optique présente une atténuation quasiment constante sur une

énorme plage de fréquences (plusieurs milliers de gigahertz) et offre ainsi

l’avantage de bandes passantes gigantesques, permettant d’envisager

aujourd’hui la transmission de débits numériques très importants (plusieurs

térabits/seconde) exigés par la multiplication des services et les besoins accrus

de transmission de données.

L’amplification optique est une des techniques importantes permettant de

toujours repousser la limite du compromis distance/débit exigée par ces services.

Dans le temps l’atténuation que présente la fibre optique fût compensée en

utilisant des régénérateurs électriques. Comme leur nom l’indique ces derniers

détectent le signal, le convertissent en un signal électrique, l’amplifie et en

utilisant un nouveau laser transmettent une nouvelle version du signal. Ces

régénérateurs électriques sont coûteux et limitent la vitesse de transmission.

Pour surmonter les limitations imposées par la régénération électrique, une

amplification optique a été demandée. Deux technologies concurrentes ont

émergé : la première est l’amplification à fibre dopée à l’erbium (EDFA) et la

deuxième est l’amplification à effet de Raman.

Dans les premiers amplificateurs déployés la 1ère technologie était la plus

utilisée pour la simple raison qu’elle demande moins de puissance électrique et

que dans le temps la technologie des lasers ne pouvait pas fournir cette

puissance. Cependant avec l’évolution de la technologie de fabrication des

lasers, l’amplification à effet de Raman commence à prendre la relève.

Chapitre : 1

Besoin d’amplification

Le schéma standard d’une liaison de télécommunications optiques est

représenté sur la figure ci-dessous :

Figure1 : Schéma standard d’une liaison de télécommunications

La lumière émise par le laser signal est modulée en amplitude pour

coder le message à transmettre : pour un message numérique, on

utilise une simple modulation ON/OFF. Cette lumière modulée est

injectée dans la fibre optique, et va ainsi pouvoir se propager jusqu’à

la sortie de la fibre. En sortie, un photo-détecteur traduit en signaux

électriques le message émis.

La fibre optique est faite de Silice (SiO2).Ce choix se justifie par le

fait que les molécules de la Silice permettent de contrôler le

coefficient de réflexion et présentent de faibles pertes optiques

En général, on peut distinguer entre deux catégories des sources de

pertes : intrinsèques et extrinsèques. En effet, les pertes

extrinsèques découlent des impuretés et des imperfections

structurelles lors du processus de fabrication de la fibre mais avec

l’évolution des techniques de fabrication de la fibre on a pu les

éliminer. Cependant les pertes intrinsèques persistent avec le

mécanisme de la diffusion de Rayleigh due aux irrégularités

microscopiques causées par le refroidissement du verre lors de la

fabrication. Le coefficient de diffusion de Rayleigh est donné par :

Où :

Est la différence d’indices de réflexion du à l’ajout du

Germanium à la fibre.

est la longueur d’onde de la lumière incidente en µm

Si on étudie l’atténuation du signal d’entrée en fonction de la longueur

d’onde du signal, on s’aperçoit qu’il existe un minimum d’atténuation

à la longueur d’onde de = 1, 55 μm, comme le montre la figure ci-

dessous :

Figure2 : Atténuation dans la fibre de Silice

Les concepteurs de systèmes de télécommunication optiques utilisent

donc pour les transmissions la longueur d’onde de 1, 55 μm afin de

bénéficier de ce minimum d’atténuation. Il en résulte qu’en pratique,

la distance moyenne que l’on peut parcourir grâce à une telle fibre

sans système d’amplification est d’environ 150 km.

Pour dépasser cette limite physique, la plupart des systèmes procèdent

à une amplification des signaux tous les 150 km. La technologie la

plus déployée à ce jour passe par l’utilisation de l’EDFA (Erbium

Doped Fiber Amplfier). Cette technologie utilise l’amplification

produite au sein d’une fibre optique spécifique, fabriquée sur la base

de matériaux à terres rares, en général de l’Erbium. L’amplification a

lieu à l’intérieur de cette fibre à condition qu’elle soit stimulée par un

autre laser (appelée « laser de pompe ») dont la puissance est

relativement élevée : l’énergie va être transférée, grâce à la fibre

Erbium, de la longueur d’onde de pompe (usuellement à 980 nm) vers

la longueur d’onde signal (toujours à 1, 55 μm).

Le phénomène nécessite en général une assez courte distance de fibre

(typiquement 20 m) en regard des centaines de kilomètres constituant

la liaison.

Une autre technique émergente permet, elle, d’obtenir une

amplification optique dans de la fibre standard en silice, sans y

introduire de dopant. C’est en effet la fibre de transmission elle-même

qui va servir de milieu amplificateur en utilisant l’EFFET RAMAN :

c’est l’AMPLIFICATION RAMAN.

Chapitre : 2

Amplification de Raman

I. Historique

II. Effet Raman

II. Effet Raman spontané

IV. Effet Raman stimulé

V. Effet Raman en équations

I. Historique :

L’amplification Raman fait appel à l’effet Raman, c’est-à-dire la

diffusion Raman, qui est un phénomène de diffusion inélastique

omniprésente dans les milieux moléculaires. Ce phénomène de la

diffusion de la lumière fût découvert en 1928, dans les liquides et

vapeurs avec la lumière de soleil fortement focalisée, par le physicien

indien C.V. Raman, qui a reçu le prix Nobel de physique en 1930 pour

son travail sur la diffusion de la lumière et la découverte de l’effet

éponyme. Depuis, l’effet Raman a été appliqué dans divers domaines

d’applications. Dans l’étude des structures moléculaires, par exemple,

la spectroscopie Raman est un outil puissant et largement utilisée. Au

début des années 1970, l’amplification Raman dans les fibres optiques

a été déjà démontrée, et un certain nombre publications des années

1980 ont montré l’intérêt des amplificateurs Raman à fibres optiques.

Vers la fin des années 1980 et jusqu’au milieu des années 1990,

l’attention a été surtout portée vers les EDFAs. Ceci est dû d’une part

au fait que l’amplification Raman dans les fibres optiques nécessite

des pompes lasers de fortes puissances dont la technologie n’était pas

encore au point à l’époque pour les applications en communication.

D’autre part, déjà mature technologiquement au début des années

1990, les EDFAs apparaissaient comme une solution d’amplification

optique assez satisfaisante, au niveau du gain, du bruit et de la bande

passante, pour les besoins en communications.

Dans les dernières années 90, l’avancement technologique de pompes

lasers de fortes puissances a permis la maturité des pompes lasers

Raman et à leur disponibilité commerciale, ayant suscité le regain

d’intérêt pour l’amplification Raman. De nombreuses études

expérimentales et théoriques ont montré plusieurs avantages de

l’amplification Raman.

II. Effet Raman :

Contrairement à la diffusion de Rayleigh la diffusion de Raman est

inélastique c’est-à-dire le photon incident échange de l’énergie avec la

molécule du milieu diélectrique. Ainsi la lumière diffusée n’as pas la

même longueur d’onde que la lumière incidente. En d’autres termes la

diffusion de Raman est un phénomène non linéaire. Pour expliquer ça

on fera une analogie avec l’extension d’un ressort. En effet si on

attache une faible charge à un ressort alors la variation de la longueur

du ressort sera linéairement liée à la masse de la charge mais si la

masse de la charge dépasse un certain seuil cette dépendance ne sera

plus linéaire. Il en est de même pour la réponse d’un milieu

diélectrique notamment la fibre optique à une quantité de lumière :

plus l’intensité lumineuse augmente plus la réponse de la fibre est non

linéaire ce qui induit la diffusion de Raman.

Durant la diffusion de Raman, la lumière incidente est décalée vers les

basses fréquences grâce à un échange d’énergie entre le rayon

lumineux et le milieu. Le photon de pompe excite une molécule et

l’a fait passer à un niveau d’énergie virtuel mais cette molécule revient

rapidement à un niveau d’énergie inférieur en émettant un photon

appelé photon de STOKES à une longueur d’ondes différente du

photon de pompe. La différence d’énergie des deux photons

apparaissant sous la forme d’un phonon optique est dissipée par la

vibration des molécules du milieu.

Figure3 : Mécanisme de l’effet Raman

On distingue deux types d’effet Raman : spontané et stimulé.

III. Effet Raman spontané:

La simple présence de la lumière du laser de pompe dans la fibre

induit un effet de Raman spontané. Ce phénomène consomme une

faible part de la puissance fournie par le laser de pompe, et va générer

de la lumière à la longueur d’onde du signal. Cette lumière apparaît

spontanément, c’est à dire indépendamment de la présence du signal.

Il ne s’agit donc pas d’un phénomène qui apporte à l’amplification

mais plutôt d’un effet parasite : on parle d’émission spontanée

amplifiée. Un photon issu du laser de pompe change de longueur

d’onde sous l’effet de la mécanique Raman : cette nouvelle longueur

d’onde dépend du matériau et de la longueur d’onde de pompe. Cet

écart entre les longueurs d’onde correspond à l’énergie d’un phonon.

Dans le cas de la silice, une longueur d’onde de pompe de 1, 45 μm

produit de la lumière `a 1, 55 μm.

Figure4 : Mécanisme de l’effet Raman spontané

IV: Effet Raman stimulé:

C’est l’effet recherché pour l’amplification optique : sous l’impact des

photons-signaux, la matière constituant la fibre, excitée par la

présence de la pompe, va favoriser le changement de longueur d’onde

des photons issus de la pompe, de par la mécanique de l’effet Raman

stimulé.

Ainsi, si l’on fait interagir via l’effet Raman un photon pompe et un

photon signal, on obtient deux photons à la longueur d’onde signal.

On a donc un phénomène de « duplication de photons » à la longueur

d’onde signal, qui correspond à la notion amplification.

Figure5 : Mécanisme de l’effet Raman stimulé

V. Effet Raman en équations :

Comme expliqué précédemment, la diffusion Raman stimulée (SRS)

est un phénomène qui découle de l’interaction entre une onde optique

et les vibrations des molécules du matériau dans lequel l’onde optique

se propage. Elle se caractérise par la génération d’une onde de Stokes

décalée vers les basses fréquences (généralement le maximum est de

13.2 THz pour les fibres dopées au Germanium).

L’évolution du signal et du pompe suivant l’axe z de la fibre est

donnée par :

Avec :

: Puissance moyenne de pompe.

: Puissance moyenne du signal.

: Le coefficient de gain Raman.

Et sont les pulsations de pompe et du signal

: Coefficient d’atténuation de la fibre à la longueur d’onde pompe.

: Coefficient d’atténuation de la fibre à la longueur d’onde signal.

: représente la déplétion de pompe.

: représente l’atténuation intrinsèque de pompe.

: représente le gain du signal.

: représente l’atténuation intrinsèque du signal.

La diffusion Raman est insensible au sens de propagation de la pompe

par rapport au signal : la pompe peut être injectée soit Co- soit contra-

directionnellement d’où le dans la 1ère

équation.

Le signe - du signal de Stokes indique qu’elle se déplace dans les sens

opposé à la pompe.

Dans le régime petit signal le terme de déplétion de la pompe est

Négligeable devant l’atténuation. Ainsi, la puissance de pompe subit

une propagation de type linéaire, et la distribution de puissance de

pompe s’exprime par l’équation suivante :

La résolution de cette équation donne :

Où :

Est la puissance de pompe injectée dans la fibre.

L : La longueur de la fibre.

On remplace dans la 2éme équation alors on trouve :

Où : est la longueur effective de l’amplificateur en régime petit

signal.

Est le gain net du signal de Stokes.

La figure ci-dessous présente la puissance du signal en fonction de la

distance sans et avec amplification Raman.

Figure6 : Evolution des Puissances Optiques le long de la Fibre de Transmission

Chapitre : 3

Avantages & utilisations

I. Amélioration du facteur de bruit :

II. Gain en bande passante :

En général l’amplificateur de Raman présente deux avantages à

savoir : l’amélioration du facteur de bruit et l’aplatissement du profil

du gain.

I. Amélioration du facteur de bruit :

Au chapitre 1, nous avons établi un modèle de l’amplification Raman

dans les fibres optiques en silice, dont le mécanisme physique est la

diffusion Raman stimulée. Nous pouvons considérer, pour simplifier,

que cette diffusion inélastique résulte de la modulation de la lumière

incidente par les vibrations moléculaires du milieu. D’un point de vue

simplifié, la diffusion Raman peut être représentée, comme illustré sur

la figure ci-dessous, par la coexistence de deux phénomènes. Le

premier est la diffusion Raman Stokes, où un photon de pompe est

diffusé, en créant un photon signal de fréquence inférieure à celle

de pompe et un phonon optique - .

Le deuxième est la diffusion Raman anti Stokes, qui est le processus

inverse de la diffusion Raman Stokes. La diffusion Raman anti-Stokes

est bien moins probable que celle Stokes alors l’amplification Raman

est intrinsèquement de faible bruit.

Figure7 : Représentations schématiques des diffusions Raman Stokes et anti-Stokes.

Le facteur de bruit d’un amplificateur est le rapport du SNR du signal

d’entrée et du signal de sortie. Il mesure la dégradation que subit le

signal par l’amplificateur.

Le facteur de bruit de transmission est représenté sur la figure ci-

dessous, en fonction du gain Raman généré co- et contra-

directionnellement. Le schéma de pompage codirectionnel apparaît

clairement beaucoup plus avantageux, en termes de facteur de bruit.

Pour des valeurs du gain Raman inférieures à 5 dB, le facteur de bruit

en co-pompage est toujours inférieur à 20 dB, ce qui correspond au

facteur de bruit de la fibre passive, alors que le facteur de bruit en

contra-pompage est légèrement supérieur à cette valeur. Toutefois, à

partir du moment où le gain Raman dépasse 5 dB, ces deux schémas

de pompage présentent un intérêt certain. D’un point de vue pratique,

les valeurs très hautes de gain Raman ne sont pas souhaitables. Une

raison importante est l’effet de la double rétrodiffusion Rayleigh

devient très important pour les hautes valeurs de gain Raman.

Figure8 : Facteur de bruit en co-pompage et en contra-pompage

II. Gain en bande passante :

Le phénomène Raman dans la fibre optique est un phénomène à

large bande en longueur d’onde. Pour une longueur d’onde de

pompe donnée, la bande passante obtenue a la forme suivante :

Figure9 : Bande passante d’un amplificateur de Raman à la longueur d’onde 1450 nm.

Nous voyons bien sur la figure précédente que le maximum

d’amplification est décalée de 100 nm de la pompe, et que la bande

exploitable pour de l’amplification est d’environ 40nm. De plus, il est

possible de combiner dans une même fibre la lumière issue de

plusieurs lasers de pompe à des longueurs d’ondes différentes. On

peut ainsi obtenir une bande passante de 100 nm.

Figure10 : Bande passante d’un amplificateur de Raman pour différentes longueurs d’onde

Une telle bande passante permet des débits supérieurs à 10 TBit/s sur

des connections numériques, et ceci sur plus de 10000 km. Ce débit

est absolument colossal, surtout au regard de la distance parcourue.

Par composition de plusieurs longueurs d’onde de pompage, on peut

ainsi obtenir un amplificateur à gain plat sur une large bande.

Ainsi, comparé aux autres amplificateurs, l’amplificateur de Raman

présente les avantages particuliers et incontestables suivants :

· Le gain Raman existe dans toutes les fibres optiques à n’importe

quelle longueur d’onde optique et est facile à obtenir.

· Dans les fibres à silice, le spectre de gain Raman a une très large

étendue fréquentielle. Quand plusieurs pompes sont utilisées, il

peut aussi couvrir toute la fenêtre optique à faibles pertes, c’est-

à-dire, les bandes S, C et L, avec une bonne uniformité spectrale.

· L’amplification Raman est non seulement intrinsèquement à

faible bruit, mais corporativement à l’amplification localisée

dont les EDFAs sont l’archétype, elle permet une moindre

excursion du niveau de puissance de signal, et donc un meilleur

rapport signal sur bruit accompagné de moins de pénalités non

linéaires.

Conclusion

La figure ci-dessous montre le nombre d’articles publiés dans le

monde et de brevets déposés aux USA depuis 1980 dans le domaine

des EDFAs et des amplificateurs Raman. On y voit clairement que

l’intérêt porté à l’amplification par effet Raman est en pleine

expansion, ce qui tend à montrer que son utilisation doit se

démocratiser à l’avenir dans les systèmes de télécommunication.

Notons également qu’outre l’utilisation en amplification optique,

l’effet Raman est une voie prometteuse pour le développement une

technologie de laser à base de silicium. Cette technologie, développée

par Intel, trouverait alors de nombreuses applications pour

l’élaboration de télécommunications optiques au sein des

microprocesseurs et des calculateurs en général.