Le bruit d'émission spontanée amplifiée (ESA) est un facteur de dégradation typique des liaisons de communication optique longue distance utilisant des chaînes d'amplificateurs optiques (généralement des EDFA). Chaque amplificateur génère du bruit à sa sortie, qui s'accumule et est amplifié dans les amplificateurs suivants, pouvant conduire à la saturation. Les processus d'amplification du signal et de génération du bruit ESA dans un EDFA sont schématisés sur la figure 1. La figure 1(a) illustre le comportement d'amplification du signal souhaité : les ions erbium sont excités par une longueur d'onde de pompe (980 nm) et passent à un état métastable. À partir de cet état, les photons du signal les font retourner à l'état fondamental de plus basse énergie, ce qui entraîne l'amplification stimulée de ces photons. Cependant, certains ions erbium excités se désexcitent vers un niveau d'énergie inférieur avant de pouvoir se recombiner avec un photon du signal, ce qui provoque l'émission d'un photon de phase et de direction aléatoires, comme illustré sur la figure 1(b). Ce sont précisément ces photons qui contribuent à la génération d'un spectre ESA à large bande. Mais ce qui est généralement perçu comme un phénomène néfaste peut avoir des applications intéressantes, comme celle décrite dans cet article.

Caractérisation des dispositifs CWDM et DWDM :
Le bon fonctionnement des systèmes et réseaux optiques basés sur le multiplexage en longueur d'onde exige la surveillance de la réponse spectrale des filtres, isolateurs, circulateurs, multiplexeurs, démultiplexeurs, commutateurs et atténuateurs. Il est notamment important de connaître leur longueur d'onde centrale, leur bande passante, leur isolation entre canaux, leur ondulation de bande et leurs pertes d'insertion. Plusieurs méthodes de caractérisation existent. Par exemple, un instrument de laboratoire dédié peut être utilisé, ou un balayage de longueur d'onde peut être effectué avec un laser accordable, suivi de la mesure de la puissance de sortie. L'inconvénient de ces deux méthodes réside dans leur coût généralement élevé. Une méthode alternative, rapide et simple, est proposée ci-dessous.

Le montage expérimental est présenté sur la figure 2. Il comprend une source à large bande à laquelle sont connectés le dispositif testé (DUT) et un analyseur de spectre optique (OSA). Un OSA étant disponible dans la plupart des laboratoires, le seul coût supplémentaire concerne la source optique. Plusieurs options sont possibles pour cette source, comme une LED superluminescente (SLED), une source ASE ou un supercontinuum. Pour des raisons de rapport coût-performance, la source ASE est la plus avantageuse, car elle permet d'obtenir un spectre relativement large à un niveau de puissance raisonnable.

Le processus de mesure est simple. On commence par acquérir une trace de référence sur l'analyseur de spectre optique (OSA) sans le dispositif sous test (DUT), c'est-à-dire en connectant directement la sortie de la source à l'OSA. La mesure est ensuite répétée avec le DUT inséré. La différence en dB entre les deux traces représente la réponse spectrale du DUT. La figure 3 illustre un exemple de cette mesure. Selon les paramètres à caractériser, une plage de longueurs d'onde spécifique, une bande passante de résolution, etc., seront utilisées. La qualité de la mesure dépendra largement du type d'OSA utilisé (précision de la longueur d'onde, plage dynamique), ainsi que de la source optique. Les principales caractéristiques de la source à prendre en compte sont décrites ci-dessous.

Sélection de la source :
Lors du choix d'une source à large bande pour la caractérisation de composants, et plus particulièrement d'une source ASE, il est important de considérer plusieurs caractéristiques telles que la puissance totale, la puissance crête et la densité spectrale. La puissance totale, mesurée en dBm ou mW, correspond à la puissance intégrée totale de la source, c'est-à-dire la puissance qui serait affichée par un wattmètre connecté directement à sa sortie. La puissance crête, quant à elle, correspond au niveau de puissance maximal de sa distribution spectrale, mesuré par un analyseur de spectre optique (OSA). Dans ce cas, la valeur de la bande passante de résolution pour laquelle la mesure a été effectuée doit également être fournie. Enfin, la densité spectrale de puissance (en dBm/nm) correspond à la puissance du spectre intégrée dans des fentes de 1 nm. Cette caractéristique est généralement mesurée avec un OSA configuré avec une bande passante de résolution de 1 nm ; la densité spectrale varie donc avec la longueur d'onde. La valeur de la densité spectrale de puissance est importante car elle limite la plage dynamique de la mesure lors de l'utilisation d'OSA à réseau. Par exemple, considérons une source à large bande avec une densité spectrale de puissance relativement plate d'environ -10 dBm/nm. Si la mesure est effectuée avec un analyseur de spectre optique (OSA) d'une bande passante de résolution de 0,1 nm, la puissance de référence sera d'environ -20 dBm. En connectant ensuite un dispositif sous test (DUT) présentant une perte d'insertion de 50 dB, la mesure n'atteindra que -70 dBm pour la résolution de 0,1 nm de l'OSA. Par conséquent, en cas de perte d'insertion élevée, la bande passante de résolution minimale sélectionnable sera limitée.

Outre la puissance de la source, sa stabilité, définie sur une période donnée, est également importante. Dans ce cas, garantir la stabilité de la puissance totale est relativement simple, contrairement à celle de la densité spectrale. Du fait de la nature des sources ASE, des transferts d'énergie d'une longueur d'onde à l'autre se produisent fréquemment. Ces variations de puissance dans les intervalles spectraux entraînent des imprécisions de mesure. Par conséquent, pour la caractérisation des composants DWDM, qui exige des mesures précises et reproductibles, la maîtrise de ce paramètre de performance est cruciale.
Enfin, la plage de longueurs d'onde couverte est également une caractéristique importante. Typiquement, une source ASE fournit un bon niveau de signal dans les bandes C et L, où l'amplification de l'erbium est prédominante. En revanche, une diode électroluminescente à émission de surface (SLED) est moins puissante qu'une source ASE, mais peut couvrir une plage de longueurs d'onde plus étendue. Cette plage de longueurs d'onde est particulièrement importante pour la caractérisation des composants CWDM, car ils fonctionnent généralement dans des bandes plus larges.

Équipements commerciaux.
Après avoir abordé les principes de base de la mesure, nous allons maintenant présenter quelques exemples de sources ASE disponibles sur le marché. À titre d'exemple, la figure 4 illustre la source EXFO FLS-2300B. Cette source ASE haute performance se caractérise par une puissance de sortie supérieure à +14 dBm et une stabilité spectrale de ±0,04 dB/nm (15 minutes) dans la gamme de 1520 à 1560 nm. Elle est disponible avec une option de gain plat. La société Newport Corporation propose également des sources à large bande pour la caractérisation de composants. Elle offre notamment une source ASE à large bande (1000-1650 nm) avec une puissance de sortie de +13 dBm et une bonne stabilité spectrale (figure 5). Enfin, plusieurs fabricants proposent des modules ASE compacts dans leurs catalogues. Par exemple, l'un d'eux peut être vu sur la figure 6. Dans ce cas, il s'agit d'un module en bande C (1525-1565 nm) avec une puissance de sortie allant jusqu'à +15 dBm et une stabilité spectrale de ±0,05 dB/nm.

Pour plus d'informations ou un devis

Francisco Ramos Pascual. Docteur en ingénierie des télécommunications

Professeur titulaire à l'Université polytechnique de Valence