L'amplification Raman consiste essentiellement à utiliser des lasers de pompage disponibles dans le commerce pour transformer la fibre optique en un milieu de transmission à large bande et à gain distribué. Autrement dit, la fibre agit comme un long amplificateur optique, amplifiant les signaux qui s'y propagent. Les amplificateurs Raman sont généralement utilisés en configuration de contre-propagation : les longueurs d'onde de pompage Raman sont injectées à l'extrémité du segment de fibre, se propageant dans le sens inverse des signaux DWDM. Ceci garantit que l'amplification est maximale à l'extrémité de la fibre, où les niveaux de signal sont plus faibles, tout en empêchant les niveaux de puissance à la sortie de chaque segment d'amplification de dépasser le seuil d'apparition des effets non linéaires (figure 1).
À l'instar des amplificateurs à fibre dopée à l'erbium (EDFA), l'amplification Raman distribuée contribue au bruit du système. Cependant, contrairement aux EDFA, on utilise une définition différente : le facteur de bruit effectif. Ce concept revient à remplacer la combinaison amplification Raman distribuée et EDFA par un amplificateur discret unique et son facteur de bruit effectif. On constate ainsi que l'amplification Raman réduit les effets du bruit ASE généré par les EDFA, améliorant le rapport signal sur bruit optique (OSNR) de l'ensemble du système. Par exemple, des facteurs de bruit effectifs inférieurs à 3 dB, voire négatifs, peuvent être obtenus, valeurs impossibles à atteindre avec les seuls EDFA. En général, l'augmentation du gain Raman entraîne une diminution du facteur de bruit effectif, bien qu'il existe une limite. Si le gain est augmenté de manière excessive, des problèmes liés à la diffusion Rayleigh apparaissent dans la fibre. À mesure que le gain augmente, une plus grande partie de la puissance du signal est dispersée dans la fibre, ce qui provoque la propagation de signaux en sens inverse. Ces signaux peuvent à leur tour être réfléchis et produire des signaux « fantômes » dans le récepteur, qui arrivent avec un certain délai par rapport au signal principal.

De plus, l'amplification Raman dépend de la polarisation : les signaux polarisés orthogonalement à la source Raman ne subissent aucun gain. Par conséquent, les modules d'amplification Raman doivent avoir une sortie dépolarisée afin de minimiser le bruit. Une source dépolarisée fournit la même puissance sur chaque axe de polarisation de la fibre, de sorte qu'un canal WDM est amplifié de la même manière, quel que soit son état de polarisation. En pratique, une source dépolarisée est obtenue par multiplexage de polarisation de deux lasers de pompe, tout en assurant un équilibrage précis de la puissance entre les deux sources. Une autre option consiste à utiliser un dépolarisateur à fibre. Ces dispositifs fonctionnent en séparant la lumière polarisée en ses deux composantes orthogonales à l'aide d'une fibre à maintien de polarisation.


Bien que le principe de conception fondamental d'un amplificateur Raman soit simple – chaque longueur d'onde de pompage Raman fournit un gain à une fréquence inférieure de 13,5 THz – les interactions entre les longueurs d'onde Raman et les signaux DWDM peuvent s'avérer complexes. Cette complexité provient du fait que les mêmes canaux DWDM peuvent servir de pompes Raman pour d'autres signaux à des longueurs d'onde plus élevées, malgré leur niveau de puissance optique beaucoup plus faible. Ceci crée de multiples régions de gain Raman, inférieures de 13,5 THz à la fréquence de chaque signal (environ 100 nm dans la troisième fenêtre). Dans les systèmes conventionnels qui ne transportent de données que dans la bande C (1530–1560 nm), ces interactions sont négligeables. Cependant, la situation est différente lorsque l'amplification Raman est utilisée en présence de canaux en bandes C et L. Dans ce cas, les pompes Raman en bande C perdent une part importante de leur puissance en amplifiant les pompes Raman en bande L. Parallèlement, les canaux en bande C fournissent une certaine amplification aux canaux en bande L. Il en résulte une certaine pente dans la puissance optique des canaux (puissance plus faible aux longueurs d'onde plus courtes et puissance plus élevée aux longueurs d'onde plus longues) qui doit être égalisée.

Par conséquent, les pompes Raman en bande C nécessitent plus de puissance que celles en bande L. Il convient d'en tenir compte même pour un système transmettant uniquement du trafic en bande C, car l'utilisation future de la bande L serait limitée si les sources de pompage ne pouvaient pas générer des niveaux de puissance plus élevés. De plus, la relation entre la puissance des pompes et les signaux DWDM exige des ajustements en cas de modification de la puissance d'une pompe.

Effet Raman :
Lorsqu'un signal de pompe optique rencontre une fibre optique, il subit une diffusion spatiale due aux vibrations moléculaires (ou phonons). La lumière diffusée est décalée en fréquence d'une valeur égale à la différence entre la fréquence de la pompe et la fréquence de vibration moléculaire du cristal. Ce signal décalé est appelé champ de Stokes, tandis que l'effet non linéaire correspondant est appelé diffusion Raman. Ce champ de Stokes peut être recombiné avec le signal optique pour générer des fréquences supplémentaires. Ces signaux induisent à leur tour des vibrations du cristal. Il en résulte un champ de Stokes plus intense, et le processus est appelé diffusion Raman stimulée.
Le décalage de Stokes détermine la fréquence (par rapport au signal d'origine) à laquelle le gain Raman se produit. Cette fréquence dépend du matériau et, dans le cas des fibres de silice, elle est d'environ 13,5 THz. Ainsi, une pompe typique à 1440 nm produira un gain autour de 1550 nm. Du fait de la structure moléculaire du cristal, plusieurs fréquences de vibration moléculaire sont présentes, conférant à la région de gain une largeur spectrale d'environ 30 nm. Il est ainsi possible d'obtenir un gain pour toute longueur d'onde dans une fibre standard, simplement en sélectionnant judicieusement la ou les longueurs d'onde de pompage. La figure 2 illustre graphiquement cet aspect de conception.
La diffusion non linéaire, à l'origine de l'amplification Raman, est faible dans les fibres optiques en silice ; de longues longueurs (plusieurs kilomètres) sont donc nécessaires pour obtenir un gain acceptable. Cependant, d'autres types de fibres, comme les fibres à dispersion décalée, peuvent également être utilisés, dans lesquelles les effets non linéaires sont plus marqués.

Lasers de pompage :
La conception d’un module d’amplificateur Raman est plus simple que celle d’un EDFA à large bande. Une fois les longueurs d’onde et les puissances de pompage choisies, il s’agit de concevoir un système capable de générer ces signaux et de les multiplexer au sein d’un réseau de fibres optiques. Le module se compose essentiellement d’une série de sources laser, d’un système de multiplexage (longueur d’onde et polarisation), d’un système de contrôle optique et d’un multiplexeur de fibres (Figure 3).
Les sources laser de pompage sont le principal moteur du marché des amplificateurs Raman. Des lasers de pompage à haute puissance de sortie dans la gamme des 14xx nm sont nécessaires pour l’amplification des signaux en bandes C et L. Plusieurs fabricants proposent des lasers de pompage à haut rendement, d’une puissance comprise entre 300 et 500 mW (Figure 4). Des lasers délivrant des puissances supérieures à 1 W à plusieurs longueurs d’onde et à 700 mW en fibre optique ont également été mis au point. Par ailleurs, certaines entreprises commercialisent des modules de pompage hybrides intégrés capables de délivrer plus de 400 mW. Par exemple, deux puces laser de pompage de 400 mW à multiplexage de polarisation peuvent fournir 720 mW à une longueur d'onde unique avec un faisceau de sortie dépolarisé. Enfin, des modules comportant plusieurs lasers de pompage à multiplexage de longueur d'onde sont également disponibles. La sécurité oculaire est une préoccupation majeure liée aux amplificateurs Raman, car il s'agit généralement de dispositifs laser de classe 4 (puissances de sortie supérieures à 500 mW).

Pour limiter les risques en cas de rupture de fibre, un capteur de réflexion est intégré aux unités.
Par ailleurs, la grande stabilité et la précision de longueur d'onde de ces lasers sont essentielles ; on utilise généralement des techniques de verrouillage à réseau de Bragg pour les garantir. La température ayant un impact significatif sur les performances, celle de la puce laser est régulée par des modules thermoélectriques (TEC) capables de dissiper une puissance supérieure à 10 W.
Enfin, étant donné que les performances et la fiabilité des amplificateurs Raman dépendent fortement des lasers de pompage, et que ces derniers représentent une part importante du coût, de la consommation d'énergie et de l'encombrement, les nouvelles générations de lasers de pompage seront cruciales pour le succès de ce type d'amplificateur.

 

Pour plus d'informations ou un devis

 

Auteur:

Francisco Ramos Pascual. Docteur en ingénierie des télécommunications

Professeur titulaire à l'Université polytechnique de Valence