Introduction
Les amplificateurs à fibre optique sont utilisés pour amplifier les signaux optiques sans convertir le signal en signaux électriques dans les deux sens. Dans cet article, nous discuterons des amplificateurs à fibre optique, de leur fonctionnement et de leur prix sur le marché.
Qu'est-ce qu'un amplificateur à fibre optique ?
Les réseaux de fibres optiques utilisent des brins de fibre transparente spécialement conçus pour transmettre des signaux sous forme d'impulsions lumineuses. Souvent, ces signaux tombent dans le spectre infrarouge (850, 1300 et 1550 nanomètres) qui fournissent les caractéristiques d'atténuation les plus faibles dans la fibre. Cela tombe dans la plage de moins de 0.2 dB par kilomètre pour une bande de 1550 nanomètres, ce qui est bien inférieur à son homologue électrique.
Cependant, aucun signal n'est complètement à l'abri de l'atténuation. Par conséquent, lorsqu'un signal traverse un câble à fibre optique, il a tendance à s'affaiblir sur de longues distances. Par exemple, lorsque la longueur du câble à fibre dépasse 10 km, la perte de transmission s'élève à un montant significatif. Lorsque la longueur devient beaucoup plus élevée, le signal devient exponentiellement plus faible.
Les amplificateurs à fibre optique aident à atténuer ce problème en amplifiant le signal lorsqu'il devient faible.
Les amplificateurs à fibre optique (également appelés amplificateurs à fibre optique) amplifient le signal optique sans le convertir en signal électrique. Ceci est très important car si le signal devait être converti en signal électrique au préalable pour l'amplifier, le délai de propagation entre conversion optique -> électrique -> optique sera beaucoup plus élevé. Les amplificateurs à fibre optique sautent les conversions intermédiaires et amplifient directement le signal optique.
Il existe trois grands types d'amplificateurs à fibre optique :
- EDFA (amplificateur à fibre optique dopé à l'erbium)
- FRA (amplificateur Raman à fibre)
- SOA (amplificateur optique à semi-conducteur)
Voyons comment ces types d'amplificateurs fonctionnent pour amplifier un signal de fibre optique faible.
Comment fonctionnent les amplificateurs à fibre optique ?
Commençons par l'EDFA, l'une des conceptions d'amplificateurs à fibre les plus anciennes et les plus robustes utilisées à ce jour.
EDFA - Amplificateur à fibre dopée à l'erbium
Les amplificateurs à fibre optique dopés à l'erbium sont les amplificateurs à fibre optique les plus couramment utilisés aujourd'hui. Ils peuvent être utilisés dans plusieurs étapes d'un réseau de fibre optique comme
- Un Booster
- Amplificateur en ligne
- Préamplificateurs.
Lorsqu'il est utilisé comme préamplificateur, l'EDFA est placé juste avant le récepteur. Lorsqu'il est placé au milieu d'une ligne de transmission pour renforcer le signal, il est utilisé « en ligne » avec l'optique. Un EDFA placé juste après l'émetteur est appelé un «booter» qui amplifie le signal à alimenter dans la liaison optique.
Les amplificateurs EDFA fonctionnent en « pompant » d'abord une lumière laser de 980 nm ou 1480 nm dans l'Erbium dopé dans les fibres. Cela excite les ions dans les états excités 2 ou 1 respectivement, comme le montre l'image ci-dessous. L'état excité 1 est la bande la plus stable, donc les électrons excités par le laser de 980 mm retombent dans l'état excité 1 en émettant de la chaleur (sans aucun photon) et en se stabilisant.
Lorsqu'un signal entrant est couplé à ces électrons excités, le signal stimule les électrons à passer à l'état fondamental en libérant l'énergie stockée en eux sous forme de photons. Ces photons émis et le signal optique sont à 1550 nm de longueur d'onde, par conséquent, le signal entrant est amplifié plusieurs fois. Ces signaux sont appelés signaux « cohérents » (même longueur d'onde, fréquence et phase) ce qui rend l'amplification possible.
Amplificateur Raman à fibre
L'amplificateur Raman est également un autre type populaire d'amplificateur à fibre optique. Ces amplificateurs utilisent un phénomène appelé 'Diffusion Raman stimulée' pour amplifier les signaux optiques.
Les médiums à fibres optiques sont constitués de réseaux cristal/verre. Lorsqu'un signal lumineux se propage à travers un tel milieu de réseau, la vitesse de déplacement est non linéaire et peut être observée comme non instantanée. Ceci est causé par les vibrations qui se produisent dans la structure du réseau lorsque le signal se propage.
En exploitant ce phénomène, un faisceau de longueur d'onde plus longue (appelé onde de Stokes), qui est le signal réel à amplifier, peut être amplifié aux dépens d'un faisceau de longueur d'onde plus courte. Pour que le signal de plus grande longueur d'onde soit amplifié, l'autre signal doit avoir la même polarisation, la même direction et passer à travers un milieu actif Raman. Il peut s'agir d'un cristal massif, d'un guide d'onde ou d'un circuit intégré photonique ou d'une cellule à milieu gazeux ou liquide.
L'image ci-dessous montre le principe de fonctionnement d'un amplificateur Raman.
Les faisceaux pompe et signal aux fréquences ωp et ωs sont injectés dans le brin de fibre à travers un coupleur de fibre. Au cours du processus d'amplification, un photon pompé libère son énergie pour créer un autre photon qui a une énergie réduite. L'énergie excédentaire est absorbée par le matériau fibreux sous forme de vibrations moléculaires. Cette énergie de vibration est ensuite transférée dans le signal d'origine, en co-propagation avec le faisceau pompe.
Contrairement aux amplificateurs dopés à l'erbium, les amplificateurs Raman n'ont généralement pas besoin de matériau dopé aux ions de terres rares. Cependant, il existe des fibres spéciales qui ont augmenté Gain Raman qui ont des performances supérieures à celles des fibres monomodes ordinaires.
Amplificateur optique à semi-conducteur
Les amplificateurs optiques à semi-conducteurs utilisent des semi-conducteurs comme milieu de gain pour amplifier un signal optique. Essentiellement, SOA est une diode laser couplée à une fibre dont les miroirs d'extrémité sont remplacés par des revêtements antireflets.
Dans un SOA, le signal lumineux est amplifié en un seul passage lorsqu'il voyage entre deux matériaux semi-conducteurs. Il s'agit de la région active et agit comme un laser mais sans la rétroaction et les passages multiples requis dans l'EDFA.
Les SOA ont deux régions principales, active et passive. Lorsque le signal traverse la région active, les électrons de la région active perdent de l'énergie (sous forme de photons) et atteignent l'état fondamental. Ces photons excités ont la même longueur d'onde que le signal lui-même et la même phase. Par conséquent, ce phénomène amplifie le signal d'origine lorsqu'il quitte la région active.
Les amplificateurs SOA sont le type d'amplificateurs à fibre optique le plus économique en raison de la moindre complexité impliquée dans la fabrication.
Prix de l'amplificateur à fibre optique
En ce qui concerne les prix, les coûts des amplificateurs à fibre optique varient en fonction du nombre de canaux et de la technologie utilisée. En règle générale, les amplificateurs EDFA coûtent entre 400 $ et 3000 150 $. Le type le moins cher, les amplificateurs SOA, coûtent à partir de XNUMX $.
Conclusion
Semblables aux réseaux qui utilisent des signaux électriques, les réseaux optiques souffrent également de la dégradation du signal sur les liaisons longue distance. Avec l'utilisation du bon amplificateur optique à la bonne distance, la dégradation du signal peut être minimisée et la bande passante peut être améliorée sur de longues distances.
