Test Optoélectronique, mars 2004

Test Optoélectronique, mars 2007
durée : 2h (sans documents ni calculatrice personnelle)
Fibre à double gaine co-dopée Erbium / Ytterbium
Partie 1 : Fibre à double gaine ( 25 %)
L’utilisation des fibres à double gaine dans
la conception des lasers ou amplificateurs
optiques à fibre dopée vise essentiellement
à augmenter la puissance pompe disponible
en utilisant toute la gamme des diodes et
réseaux de diodes multimodes haute
puissance disponibles commercialement.
La fibre à double gaine permet
d'augmenter considérablement la puissance
pompe pouvant être couplée dans une fibre
optique, tout en maintenant un cœur
monomode : avec une deuxième gaine, on
peut guider un laser pompe très puissant
dans la fibre puisque celle-ci possède une
grande surface et une grande ouverture
numérique.
Figure 1 : fibre à double gaine
1) L'ouverture numérique de la fibre pour le faisceau pompe est de 0,48. Calculer l'angle
maximal d'incidence, dans l'air, d'un rayon lumineux issu du laser pompe couplé dans la fibre.
2) Le couplage du faisceau pompe peut en fait s'effectuer par réflexion du faisceau laser
pompe sur une facette polie de la fibre (voir figure 2). Donner la condition sur l'angle  qui
permet de coupler le faisceau pompe, arrivant à 90° de l'axe de la fibre (figure 2), pour qu'il se
propage ensuite sous forme guidée dans celle-ci. Les valeurs des indices de réfraction des
gaines 1 (première gaine) et 2 (deuxième gaine) sont respectivement n1 = 1,48 et n2 = 1,40.
 Facette
polie
Figure 2 : couplage du faisceau pompe par
réflexion sur une facette polie
3) Indiquez qualitativement l'effet de la dispersion intermodale pour le faisceau pompe sur le
fonctionnement du système.
Partie 2 : Effet du co-dopage ( 25 %)
Les lasers ou amplificateurs optiques exploitant les propriétés de l’erbium et émettant vers 1,5
µm fonctionnent sur le principe des lasers de type " 3 niveaux " : le niveau bas de la transition
laser est le niveau fondamental. Ceci implique que la lumière émise à cette longueur d’onde
est aussi réabsorbée par le matériau lui-même : ces lasers ont donc des rendements très
faibles.
4) A quelle condition obtient-on un effet laser ? Quels phénomènes physiques entrent en
compétition ?
Un moyen pour augmenter le rendement de ces systèmes est le codopage de la matrice par des
ions ytterbium. En effet, cette terre-rare ne présente que deux niveaux d’énergie dont la
différence correspond à une longueur d’onde de 980 nm. Dans certaines matrices (matériau
hôte des dopants), cette énergie est presque totalement transférée à l’ion erbium par un
phénomène dit de "relaxation croisée" (figure 3) : l'atome d'ytterbium retourne à l'état
fondamental en excitant un atome d'erbium voisin.
Relaxation
croisée
Figure 3 : relaxation croisée et diagrammes d'émission/absorption du système ytterbium/erbium
5) Comment utiliseriez-vous le système présenté ici (fibre à double gaine co-dopée
ytterbium/erbium) pour réaliser un amplificateur optique pour les télécommunications
optiques longues distances et très haut débit ? Préciser le principe de régénération du signal, et
les phénomènes physiques mis en jeu.
L'avantage d'utiliser l'ytterbium au lieu d'exciter directement l'erbium est qu'il est possible de
doper très fortement une fibre optique avec l'ytterbium sans produire d'agrégats, contrairement
à l'erbium.
6) En quoi la formation d'agrégats est-elle gênante pour la propagation de lumière dans une
fibre optique ?
Partie 3 : Amplificateur optique ( 35 %)
On réalise un amplificateur optique pour les télécommunications optiques avec le système
présenté plus haut. La longueur d'onde du signal est de 1530 nm, et sa largeur spectrale est de
0,15 nm.
7) De quel type de source provient ce signal ? Quelle donnée vous permet de l'affirmer ?
Le gain de l'amplificateur est donné par G = 8 dB/m. Il est constitué de 5 mètres de fibre codopée à double gaine. Le signal optique affaibli en entrée a une puissance de 10 µW.
8) Quelle puissance aura le signal en sortie d'amplificateur ?
9) En considérant qu'on connecte l'amplificateur décrit plus haut sur une fibre optique
monomode présentant des pertes de 0,2 dB/km, et que les pertes de connexion sont de 0,5 dB
par connecteur, quel sera la période minimale de régénération du signal qu'il faudra assurer au
niveau de la liaison longue distance ?
On ajoute à l'amplificateur une boucle de contre-réaction destinée à réguler la puissance
pompe afin d'assurer un niveau constant de puissance émise par le signal en sortie. Cette
boucle comprend en particulier une photodiode à avalanche.
10) Rappeler le principe d'une photodiode simple constituée d'une jonction PN
11) Comment fonctionne une photodiode PIN à avalanche ? Qu'est-ce qui la caractérise ?
Partie 4 : Compensation de la dispersion chromatique (15%)
La fibre télécom utilisée subit une dispersion chromatique donnée par D = 5 ps/nm.km. Le
pas de régénération du signal est fixé à 80 km.
12) Compte-tenu des informations données par la partie 3, quel est l'intérêt de choisir un tel
pas de régénération ?
On souhaite utiliser une fibre compensatrice de dispersion, présentant une dispersion négative
Dc = -8000 ps/nm.km, pour permettre la réalisation d'une liaison optique très haut débit sur de
grandes distances.
13) Comment utiliser cette fibre pour réaliser la liaison ?
14) Quelle longueur de fibre utiliser lors de chaque étape de régénération du signal ?