Amplificateur à fibre optique

L'amplificateur à fibre optique est une sorte d'amplificateur optique utilisant la fibre optique comme moyen de gain. Typiquement, le milieu de gain est une fibre dopée avec des ions de terres rares, tels que l'erbium (EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifier), le néodyme, l'ytterbium (YDFA), le praséodyme et le thulium. Ces dopants actifs sont pompés (alimentés en énergie) par la lumière d'un laser, tel qu'un laser à diode couplé à une fibre ; dans la plupart des cas, la lumière de pompe et la lumière de signal amplifiée se déplacent simultanément dans le cœur de la fibre. Un laser à fibre typique est un amplificateur Raman (voir la figure ci-dessous).

Figure 1 : Schéma de principe d'unamplificateur simple à fibre dopée à l'erbium. Deux diodes laser (LD) fournissent de l'énergie de pompage à la fibre dopée à l'erbium, qui peut amplifier la lumière à des longueurs d'onde d'environ 1 550 nm. Deux isolateurs Faraday de style queue de cheval isolent la lumière réfléchie, éliminant ainsi son effet sur l'appareil.
Initialement, les amplificateurs à fibre étaient principalement utilisés pour la communication par fibre optique longue distance, dans laquelle la lumière du signal doit être amplifiée périodiquement. Une situation typique consiste à utiliser un laser à fibre dopée à l'erbium, et la puissance du signal lumineux dans la région spectrale de 1500 nm est modérée. Par la suite, les amplificateurs à fibre ont été utilisés dans d'autres domaines importants. Des amplificateurs à fibre haute puissance sont utilisés pour le traitement des matériaux au laser. Cet amplificateur utilise généralement une fibre à double gaine dopée à l'ytterbium et la région spectrale du signal lumineux est de 1030 à 1100 nm. La puissance optique de sortie peut atteindre plusieurs kilowatts.
En raison de la petite zone de mode et de la longue longueur de fibre, un gain élevé de dizaines de dB peut être obtenu sous l'action de la lumière de pompe de puissance moyenne, c'est-à-dire qu'une efficacité de gain élevée (en particulier pour une faible puissance) peut être obtenue . appareil). Le gain maximum est généralement limité par l'ASE. La fibre a un grand rapport surface/volume et une transmission monomode stable, de sorte qu'une bonne puissance de sortie peut être obtenue, et la lumière de sortie est un faisceau à diffraction limitée, en particulier lors de l'utilisation de fibres à double gaine. Cependant, les amplificateurs à fibre haute puissance n'ont généralement pas un gain très élevé dans le dernier étage, en partie en raison de facteurs d'efficacité énergétique ; une chaîne d'amplification est alors nécessaire pour que le préampli fournisse l'essentiel du gain et que le dernier étage délivre une puissance de sortie élevée.
La saturation du gain des amplificateurs à fibre est assez différente de celle des amplificateurs optiques à semi-conducteurs (SOA). En raison de la faible section efficace de transition et de l'énergie de saturation élevée, elle peut généralement atteindre plusieurs dizaines de mJ dans les amplificateurs à fibre de communication dopés à l'erbium et des centaines de mJ dans les amplificateurs dopés à l'ytterbium avec de grandes zones de mode. De ce fait, beaucoup d'énergie (parfois plusieurs mJ) peut être stockée dans l'amplificateur à fibre puis extraite par une courte impulsion. Ce n'est que lorsque l'énergie d'impulsion de sortie est supérieure à l'énergie de saturation que la distorsion d'impulsion causée par la saturation est grave. Si vous amplifiez le laser produit par un laser à verrouillage de mode, le gain de saturation est le même que l'amplification d'un laser CW à la même puissance.
Ces caractéristiques de saturation sont très importantes pour les communications par fibre optique car toute diaphonie intersymbole, qui se produit dans les amplificateurs optiques à semi-conducteurs, est évitée.
Les amplificateurs à fibre fonctionnent généralement dans la région de forte saturation. De cette manière, la sortie maximale peut être obtenue et l'effet de légers changements de la lumière de pompage sur la puissance optique de sortie du signal sera réduit.
Le gain maximum dépend généralement de l'émission spontanée amplifiée, et non de la puissance optique de la pompe. Il se manifeste lorsque le gain dépasse 40dB. Les amplificateurs à gain élevé doivent également éliminer les réflexions parasites, qui peuvent générer des oscillations laser parasites et même endommager la fibre, de sorte que des isolateurs optiques sont généralement ajoutés à l'entrée et à la sortie.
L'ASE fournit une limite fondamentale aux performances de bruit de l'amplificateur. Dans les amplificateurs à quatre niveaux à faible perte, l'excès de bruit peut atteindre la limite théorique, c'est-à-dire que le chiffre de bruit est de 3 dB à gain élevé, ce qui est supérieur au bruit dans le milieu de gain à quasi-trois niveaux avec perte habituel. L'ASE et le bruit excessif sont généralement plus importants dans les lasers pompés vers l'arrière.
La source lumineuse de la pompe introduit également du bruit. Ces bruits affectent directement le gain et la puissance de sortie du signal, mais n'ont aucun effet lorsque la fréquence du bruit est beaucoup plus grande que l'inverse de la durée de vie de l'état d'énergie supérieur. (Les ions laser actifs sont similaires au stockage d'énergie, réduisant les effets des fluctuations de puissance à haute fréquence.) Les changements de puissance de la pompe entraînent également des changements de température, qui se traduisent ensuite par des erreurs de phase.
L'ASE lui-même peut être utilisé comme source de lumière superradiante avec une faible cohérence temporelle, ce qui est nécessaire dans l'imagerie optique cohérente. Une source de lumière superradiante est similaire à un laser à fibre à gain élevé.