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EDFA : Présentation                                 Amplificateurs Optiques                  Amplificateurs à effet       ...
EDFA : Définitions                                   L’élément Erbium 68                        •   Nombre atomique : 68  ...
EDFA :DéfinitionsEmission Stimulée de l’élément Erbium :   Les ions Er3+, insérés dans la matrice amorphe de silice, matér...
EDFA : Structures•   Co-propagative•   Contra-propagative•   Bidirectionnelle                                             24
EDFA :Principe de fonctionnementLe signal à amplifier est mélangé à un signal de pompe de forte puissance (de10 à 200 mW t...
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EDFA: Caractéristiques• le niveau de puissance de saturation PS du gain delamplificateur, qui chiffre la puissance de sort...
EDFA: Critères de choix•   La supériorité du gain•   puissance de saturation élevée•   faibles pertes d’insertion       pr...
AMPLIFICATEUR A EFFET       RAMAN                        29
Amplificateur Raman  L’amplification Raman est beaucoup plus ”douce”que l’amplification par EDFA.     Fibre Dopée Erbium    ...
Amplificateur RamanLeffet Raman est un phénomène physique de diffusion moléculairede la lumière, mis en évidence expérimen...
Amplificateur RamanUn amplificateur Raman doit plutôt être vucomme un système dans lequel la pompepermet de compenser les p...
Amplificateur RamanL’effet Raman Spontané (1928- Venkata RAMAN)L’effet Raman Stimulé (1962 - R.W. HELLWARTH)              ...
Amplificateur RamanL’effet Raman SpontanéCet effet existe par la simple présence de lalumière du laser de pompe dans la fib...
Amplificateur RamanL’effet Raman SpontanéIl ne s’agit pas d’un phénomène qui apporte àl’amplification mais plutôt d’un effe...
Amplificateur Raman     L’effet Raman Spontané                                                        Niveaux d’Energie   ...
Amplificateur RamanL’effet Raman stimulé C’est l’effet recherché pour l’amplification optique.Lorsquun atome se trouve au n...
Amplificateur Raman  L’effet Raman stimulé  Si le Signal est à la Longueur d’Onde Stokes :1 Photon Pompe         2 Photons...
Amplificateur Raman    Caractéristiques  Pour les télécommunicationsoptiques usuelles à 1 550 nm, ilfaut donc utiliser un ...
ConclusionDomaines d’utilisation  Télécommunications à fibres optique  Applications métrologiques  La composition chimique...
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Amplificateurs optiques (soa, raman, edfa)

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Présentation sur les amplificateurs optiques SOA, EDFA, RAMAN

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Amplificateurs optiques (soa, raman, edfa)

  1. 1. Génie des Systèmes de Télécommunications & RéseauxRéalisé par: Encadré par:MOUNIR Assia M. LAAZIZ YassinBENNANI AnasLOUKILI Anouar Année Universitaire 1 2009-2010
  2. 2. Plan GénéralINTRODUCTIONGENERALITE SUR LES AMPLIFICATEURS OPTIQUESAMPLIFICATEURS OPTIQUES: SOA EDFA RAMANCONCLUSION 2
  3. 3. IntroductionLes télécommunications par Fibre optique se sont développéesprincipalement à deux longueurs dondes : 1,55 µm et 1,31 µm.La première longueur donde étant la longueur donde demoindre absorption des fibres optiques en silice et la secondecorrespond à une dispersion nulle dans ces fibres. 3
  4. 4. IntroductionLes amplificateurs à 1,31 µm encore peu employés dans les systèmes decommunications et les dispositifs existants reposent sur trois technologies : les fibres dopées terre rare, les amplificateurs à semi-conducteurs les amplificateurs à effet Raman.Les amplificateurs aux performances les plus intéressantes sont lesamplificateurs dopés terre rare et les amplificateurs à semi-conducteurs.Le succès de lutilisation de la longueur donde à 1,55 µm pour lescommunications longues distances est en partie dû au développement dunamplificateur optique efficace : lamplificateur EDFA. 4
  5. 5. AmplificateurQuel est le rôle dun amplificateur ?Lamplificateur est inséré dans un système de télécoms optiques et faitpartie des moyens pour régénérer un signal optique.Ce signal composé dune porteuse modulée va être maltraité de diversesmanières au cours de sa propagation. Pertes qui vont atténuer son intensité. Dispersions qui vont modifier la forme de la modulation et de décaler chaque impulsion.Pour corriger ces défauts générés au cours de la propagation, différentssystèmes existent comme le système <3R> qui consiste à réamplifier lesignal pour corriger les pertes, le remettre en forme et le synchronise. 5
  6. 6. Amplificateur Convertisseur Convertisseur Opt/Elect Elect/Opt Amplification / Remise en formeLes défauts de ce système sont multiples:coûte cher en installation et en maintenance.fonctionne à une seule longueur donde. ( non adapté au WDM)Non transparent au codage utilisé.Des régénérateurs 3R tout-optiques ont été développés dans leslaboratoires, mais pour le moment aucun système commercial na vu le jour. 6
  7. 7. AmplificateurLorsquune régénération complète nest pas nécessaire et quune simpleamplification est suffisante, on utilise un amplificateur optique.Un amplificateur optique réamplifie le signal sans transformation (Opt/Elect). Cet amplificateur est donc transparent au codage utilisé et permet avec unseul composant damplifier plusieurs longueurs dondes.Mais il a le défaut de ne pas remettre en forme ni synchroniser le signal. 7
  8. 8. Fonctionnement d’un O.ALamplificateur optique fonctionne par émission stimulée à partir de l‘étatexcité dun atome ou dun ion. Cet ion est pompé optiquement pour que sesélectrons passent dun état fondamentale à un état dit métastable.Le signal à amplifier génère alors une émission stimulée à partir de ceniveau. Les photons ainsi créés vont en générer de nouveaux par un effetcascade, on peut atteindre un gain très important. 8
  9. 9. Paramètres caractéristiques d’un Amplificateur Optique Les paramètres les plus importants caractérisant un amplificateur sontprésentés comme suit : Bande spectrale dans laquelle il y a du gain, Gain (en dB), Efficacité du gain : (rapport gain /puissance de pompe (en dB/mW)), Puissance de saturation (puissance maximum de sortie de lamplificateur), Facteur de bruit, Sensibilité du gain à la polarisation du signal, Longueur donde de pompe, Efficacité du couplage de la pompe et du signal, Sensibilité aux fluctuations du signal (modulation) et de la pompe, Diaphonie dans le cas de communications WDM. 9
  10. 10. AMPLIFICATEUR OPTIQUE A SEMICONDUCTEUR S.O.A 10
  11. 11. SOA: Présentation Amplificateurs Optiques Amplificateurs à effet Laser Amplificateurs à effet Raman SOA EDFALes Amplificateurs Optiques à Semiconducteur sont apparurent pourremédier à l’amplification optoélectronique (limitation débit <2Gb/s).SOA est basé sur la technologie diodes laser Fabry-Perot.Consiste en un medium amplificateur placé dans une cavité résonante(type Fabry-Perot). 11
  12. 12. SOA: Structure Couche dopée P Région Active (non dopée) Couche dopée N 12
  13. 13. SOA: StructureLa fonction d’amplification est accomplie par un pompage externe des niveaux d’énergie du matériau.Afin de ne produire que la fonction amplification, il est nécessaire de protéger l’équipement contrel’auto-oscillation générant l’effet laser.Ceci se fait par blocage des réflexions de la cavité utilisant un revêtement anti réflexion (AR) et latechnique de cleaving angle des facettes des lamelles.A la différence des amplificateurs optiquement pompés, les SOA sont pompés électriquement parcourant injecté. 13
  14. 14. SOA: Fonctionnement Le principe du SOA est basé sur la création d’une inversion de population utilisée pour l’amplification du signal optique d’entrée via émission stimulée. Condition à satisfaire : Inverser la population du milieux. Solution : L’inversion de population est réalisée par injection d’un courant électrique . La bande de conduction et la bande de valence sontséparées par un gap d’énergie Eg. Le courant d’injection mène à générer des pairesélectron-trous dans les bandes de conduction et devalence respectivement. Ainsi, la distribution dans chaque bandes peut êtredécrite par deux niveaux quasi-fermi (notés Efc et Efv). La position de ces niveaux est déterminée par le courantd’injection (stimuler l’émission). 14
  15. 15. SOA: FonctionnementLe signal optique incident est injecté dans le guide (Semiconducteur) sansqu’il ne subit de réflexion ( système anti -reflet ) puis couplé vers la fibre .Un photon incident provoque l’émission stimulée  Naissance d’un deuxième photon demême fréquence, de même phase et même direction.Sans le photon incident  Emission spontanée de photon, constituent le bruit damplification.Lensemble des photons, subit une série damplifications. Les photons spontanés seront aussiamplifiés. 15
  16. 16. SOA: Caractéristiques Puissance de Saturation Pout/Pin=Cte Psat G0=Cte Diminution Gain Régime Petits SignauxLe phénomène de saturation :A partir d’une certaine puissance du signal d’entrée, la forte intensité de l’émission stimuléeentraîne une réduction de l’inversion de population, ce qui réduit le gain optique. 16
  17. 17. SOA: Caractéristiques Sensibilité du Gain à la Polarisation Se traduit par des gains différents pour les composantes transverse électrique (TE) et transverse magnétique(TM). Plus l’amplificateur est sensible à la polarisation de l’onde incidente, plus il ne pourra amplifier que des signaux d’une polarisation donnée. Des solutions ont été mise au point pour les amplificateurs SOA afin de diminuer la sensibilité à la polarisation, telles que les techniques de puits quantiques. TM TM Couche dopée P Région Active (non dopée) Couche dopée NTE TE 17
  18. 18. SOA: Caractéristiques Facteur de BruitCertains photons de l’émission spontanée se voient amplifié et se superpose au signal qui seretrouve alors bruité.On définit le facteur de bruit F dont la limite théorique est estimée à 3dB. (F=6dB pour SOA) 18
  19. 19. SOA: Caractéristiques En BrefGain élevé (atteint 30 dB) suivant le type de SC, la longueur donde, le courant injecté et lapuissance du signal incident.Bande Passante, de lordre de 5 THz (environ Δλ= 40 nm autour de λ= 1550 nm).Pompage est électrique ,plus besoin de produire une lumière laser pour faire le pompageoptiquePsat >= 17 dBm.Cest de loin le dispositif amplificateur le plus compact qui existe. Pertes de couplage élevées, supériorité du diamètre du faisceau / lépaisseur de la couche active. Facteur de bruit >= 5-7 dB. 19
  20. 20. 20
  21. 21. EDFA : Présentation Amplificateurs Optiques Amplificateurs à effet Amplificateurs à effet Laser Raman SOA EDFA Un amplificateur à fibre dopée Erbium consiste en une courte section de fibre optiquepossédant une fraction de lélément terre rare Erbium sous la forme dions Er3+. Lamplification optique repose sur la possibilité damplification stimulée optique parémission stimulée de lumière, grâce à un signal de pompe par laser. 21
  22. 22. EDFA : Définitions L’élément Erbium 68 • Nombre atomique : 68 • Er Masse atomique: 167.259 • Densité : 9.07 g/cm 3 • Etat à température ambiante: Solide Erbium • Classification: Métal 167.259 • Groupe: Lanthanide • Nombre d’isotopes stables: 6 • Energie d’ionisation: 6.108 eV • Etat d’oxydation: +3 • Famille: Terre rare Seule terre rare active à des longueurs donde comprenant la bande C Télécom(1530 nm- 1560 nm) L’ion Erbium réagit comme un système à trois niveaux 22
  23. 23. EDFA :DéfinitionsEmission Stimulée de l’élément Erbium : Les ions Er3+, insérés dans la matrice amorphe de silice, matériau constituant la fibre optique, présentent un diagramme énergétique simplifié à trois niveaux Niveau de pompe Niveau métastable Signal Amplifié Les ions Erbium sont excités par les longueurs d’onde suivantes: 514nm, 532nm, 667nm, 980nm, 1480nm  Du signal de pompe 23
  24. 24. EDFA : Structures• Co-propagative• Contra-propagative• Bidirectionnelle 24
  25. 25. EDFA :Principe de fonctionnementLe signal à amplifier est mélangé à un signal de pompe de forte puissance (de10 à 200 mW typiquement) grâce à un multiplexeur de longueurs donde, etle signal résultant est injecté dans la fibre dopée Er3+. Deux longueursdondes sont disponibles pour le signal de pompe : 980 nm ou 1480 nm.Le signal de pompe provoque une inversion de population des ions Er3+ et lemilieu devient amplificateur vis-à-vis du signal optique dentrée.Lorsque lémission stimulée domine, elle donne lieu à de lamplificationoptique. Cela dit, trois phénomènes coexistent toujours :absorption, émission spontanée et émission stimulée. 25
  26. 26. EDFA: Caractéristiquesles caractéristiques techniques principales des EDFA sont les suivantes• le gain de lamplificateur (rapport en décibels (dB) de la puissance de sortie sur la puissance en entrée) : de l’ordre de 20dB en dB 26
  27. 27. EDFA: Caractéristiques• le niveau de puissance de saturation PS du gain delamplificateur, qui chiffre la puissance de sortie pourlaquelle le gain de lamplificateur sature déjà :typiquement 1 à 10 mW• la bande spectrale damplification Δλ : typiquement25 nm• le facteur de bruit F, qui chiffre la dégradation durapport signal à bruit à la traversée de lamplificateurdu fait de lamplification de lémission spontanée (ASE): typiquement 6 à 8 dB. 27
  28. 28. EDFA: Critères de choix• La supériorité du gain• puissance de saturation élevée• faibles pertes d’insertion préférer les EDFA aux SOA• réduction du facteur de bruit Pour les systèmes de transmission optique à grandes distances et à débits élevés  EDFA 28
  29. 29. AMPLIFICATEUR A EFFET RAMAN 29
  30. 30. Amplificateur Raman L’amplification Raman est beaucoup plus ”douce”que l’amplification par EDFA. Fibre Dopée Erbium Amplification par effet Raman 30
  31. 31. Amplificateur RamanLeffet Raman est un phénomène physique de diffusion moléculairede la lumière, mis en évidence expérimentalement en 1928 par lephysicien indien Chandrasekhara Venkata Raman, lauréat du prixNobel en 1930.les atomes constituants de la matière sont en constantevibration. Quand une lumière est envoyée sur un objet, elle va luifournir de l’énergie. Cette énergie va alors modifier la vibration desliaisons chimiques entre les atomes.C’est l’effet Raman. 31
  32. 32. Amplificateur RamanUn amplificateur Raman doit plutôt être vucomme un système dans lequel la pompepermet de compenser les pertes dûes à lafibre tout au long de la propagation du signal. 32
  33. 33. Amplificateur RamanL’effet Raman Spontané (1928- Venkata RAMAN)L’effet Raman Stimulé (1962 - R.W. HELLWARTH) 33
  34. 34. Amplificateur RamanL’effet Raman SpontanéCet effet existe par la simple présence de lalumière du laser de pompe dans la fibre.Il consomme une faible part de la puissancefournie par le laser de pompe.Il génère de la lumière à la longueur d’onde dusignal.Cette lumière apparaît ”spontanément”, càdindépendamment de la présence du signal. 34
  35. 35. Amplificateur RamanL’effet Raman SpontanéIl ne s’agit pas d’un phénomène qui apporte àl’amplification mais plutôt d’un effet parasite :on parle d’émission spontanée 35
  36. 36. Amplificateur Raman L’effet Raman Spontané Niveaux d’Energie VibrationnelsPhoton Photon Moins Changement de Vibration desPompe Energétique Couleur (D) moléculesCette Nouvelle Couleur est à la Longueur d’Onde dite « Stokes » Phénomène INEVITABLE dans l’Amplificateur Raman : - Sans lui, l’Effet d’Amplification n’existerait pas - MAIS c’est un Effet NON Désiré qui dégrade les performances 36
  37. 37. Amplificateur RamanL’effet Raman stimulé C’est l’effet recherché pour l’amplification optique.Lorsquun atome se trouve au niveau excité E2un photon incident dénergie E2-E1 peut forcerlatome à revenir au niveau E1 .Latome émet alors un nouveau photon d’énergieE2-E1.un phénomène de “duplication de photons” à lalongueur d’onde du signal. 37
  38. 38. Amplificateur Raman L’effet Raman stimulé Si le Signal est à la Longueur d’Onde Stokes :1 Photon Pompe 2 Photons Signal ++ 1 Photon Signal 1 Phonon Duplication de Photons 38
  39. 39. Amplificateur Raman Caractéristiques Pour les télécommunicationsoptiques usuelles à 1 550 nm, ilfaut donc utiliser un laser pompeautour de 1450 nm. 39
  40. 40. ConclusionDomaines d’utilisation Télécommunications à fibres optique Applications métrologiques La composition chimique dun matériauCertes, les amplificateurs optiques seconsidèrent comme un facteur essentiel pourl’amélioration des autoroutes de la lumière:Fibres optiques. 40
  41. 41. Conclusion Merci de votre attentionSOA EDFA RAMAN 41

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