20-07-2006final - TEL (Thèses-en
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Amplification Raman pour liaisons opto-hyperfréquences Kafing KEÏTA Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique, Thales Research & Technology-France , CNRS/IO/UPS Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique progression introduction: l’optique hyperfréquence 1. l’amplification Raman, modèle 2. le bruit i. émission spontanée amplifiée ii. transfert du bruit de la pompe 3. mesures expérimentales de gain et d’ASE 4. réduction du bruit i. modèle classique ii. modèle quantique conclusion et perspectives 1 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique progression introduction: l’optique hyperfréquence 1. l’amplification Raman, modèle 2. le bruit i. émission spontanée amplifiée ii. transfert du bruit de la pompe 3. mesures expérimentales de gain et d’ASE 4. réduction du bruit i. modèle classique ii. modèle quantique conclusion et perspectives 1 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique 2 introduction à l’optique hyperfréquence intérêts d’une liaison microonde analogique sur fibre optique légèreté, compacité faibles pertes optiques faible dispersion pas d’interférence électromagnétique bénéficie des progrès matériels des applications distribution de signaux à des antennes lointaines antennes réseaux actives acheminement de signaux à bord de bateaux, d’avions Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique introduction à l’optique hyperfréquence 0 RF PRF in laser fibre optique Pmod MZM RF RF T opt 0 OPT 0 Pod PD 0 RF PRF out OPT une ligne analogique modulée sur fibre optique pour la transmission hyperfréquence 3 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique introduction à l’optique hyperfréquence 0 RF PRF in laser fibre optique Pmod MZM Pod PD RF RF T opt 0 OPT 0 0 RF PRF out OPT une ligne analogique modulée sur fibre optique pour la transmission hyperfréquence P G RF,out PRF,in 2 Pmod PRF,in conversion electro optique 2 Topt PRF,out 2 Pod conversion opto electronique 3 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique introduction à l’optique hyperfréquence 0 RF PRF in laser fibre optique Pmod MZM Pod PD RF RF T opt 0 OPT 0 0 RF PRF out OPT 2 possibilités pour moduler la porteuse optique 1. la modulation directe: + un seul dispositif comme source et modulateur (DFB, FP). - bruit, puissance. une ligne analogique modulée sur fibre optique pour la transmission hyperfréquence 2. la modulation externe: P G RF,out PRF,in 2 Pmod PRF,in conversion electro optique T 2 opt PRF,out 2 Pod conversion opto electronique + Plaser implique G - complexe, coûteux. 3 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique introduction à l’optique hyperfréquence origines des pertes de la ligne 4 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique introduction à l’optique hyperfréquence problème: faibles puissances raisons: transmissio • modulation externe V électrod e n ∆ Popt V MZM, principe d’opération • traitement optique du signal atténuation de porteuse comment 5 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique introduction à l’optique hyperfréquence solutions:1- EDFAs. ASE, largeur de bande problème: faibles puissances raisons: transmissio • modulation externe V électrod e 2- SOAs ASE, processus nonlinéaires n ∆ Popt V MZM, principe d’opération • traitement optique du signal atténuation de porteuse comment 3- amplificateurs Raman large bande passante Q: l’amplificateur Raman a-t-il de meilleures caractéristiques de bruit que les EDFAs? 5 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique progression introduction: l’optique hyperfréquence 1. l’amplification Raman, modèle 2. le bruit i. émission spontanée amplifiée ii. transfert du bruit de la pompe 3. mesures expérimentales de gain et d’ASE 4. réduction du bruit i. modèle classique ii. modèle quantique conclusion et perspectives 6 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique 7 diffusion Raman stimulée diffusion inélastique de la lumière par les phonons optiques le milieu, détermine Stokes et ∆R. spontané et peut être stimulé amplification Raman stimulée pompe milieu Raman: fibre monomode dN P propagation: kNP (NS 1) P NP dz de équations dNS kNP (N S 1) S N S dz principale source de bruit: Émission Spontanée Amplifiée (ASE) ∆R E1 Stokes E2 phonon Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique 7 diffusion Raman stimulée diffusion inélastique de la lumière par les phonons optiques le milieu, détermine Stokes et ∆R. spontané et peut être stimulé amplification Raman stimulée milieu Raman: fibre monomode équations de propagation: dN P dz kNP (NS 1) P NP dNS kNP (N S 1) S N S dz principale Stokes pompe ∆R E1 source de bruit: Émission Spontanée Amplifiée (ASE) quelques hypothèses: IPompe >> IStokes E2 phonon Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique 7 diffusion Raman stimulée diffusion inélastique de la lumière par les phonons optiques le milieu, détermine Stokes et ∆R. spontané et peut être stimulé amplification Raman stimulée pompe milieu Raman: fibre monomode dN P propagation: kNP (NS 1) P NP dz de équations dNS kNP (N S 1) S N S dz principale ∆R E1 source de bruit: Émission Spontanée Amplifiée (ASE) quelques hypothèses: IPompe >> IStokes IStokes >> IASE Stokes E2 phonon Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique diffusion Raman stimulée Gnet en dB dN P dz kNP (NS 1) P NP dNS kNP (N S 1) S N S dz P L N P out N P in e PP = 1,5W SMF28 P L 1 e N S out N S in e S L expk N P in P G, gain net 8 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique progression introduction: l’optique hyperfréquence 1. l’amplification Raman, modèle 2. le bruit i. émission spontanée amplifiée ii. transfert du bruit de la pompe 3. mesures expérimentales de gain et d’ASE 4. réduction du bruit i. modèle classique ii. modèle quantique conclusion et perspectives 9 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique le bruit en amplification Raman, l’ASE en co-propageant, dN P dz kNP (N S 1) P N P dN S kNP (N S 1) S N S dz dz 0 z N ASE ( ,L) L L k N zdz e S Lz P 0 PASE / out h N R e P z e P L exp k N P0 P ASE / out ( )d 10 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique 11 le bruit en amplification Raman, l’ASE fibre SMF28 NZ-DS F Alcate l NZ-DSF Corning DSF Corning DFF aire effectiv e per tes ( m 2 ) (dB.km -1) 0,19 80,0 0,20 65 0,25 55,4 0,25 0,225 51,2 20,8 fibre DCF Lucent HN LF Fite lPhoto nics Lab. HNLF-DSF Sum itomo PCF PM-PCF aire effectiv e per tes ( m 2 ) (dB.km -1) 0,49 20,1 0,8 12,6 0,51 10,7 40 1,3 2,9 ? < 10 Pase, dBm PP = 1W caractéristiques de quelques fibres @ 1550nm Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique 11 le bruit en amplification Raman, l’ASE fibre SMF28 NZ-DS F Alcate l NZ-DSF Corning DSF Corning DFF aire effectiv e per tes ( m 2 ) (dB.km -1) 0,19 80,0 Pase, dBm 0,20 65 0,25 55,4 0,25 0,225 51,2 20,8 fibre DCF Lucent HN LF Fite lPhoto nics Lab. HNLF-DSF Sum itomo PCF PM-PCF aire effectiv e per tes ( m 2 ) (dB.km -1) 0,49 20,1 0,8 12,6 0,51 10,7 40 1,3 2,9 ? < 10 Gnet, dB PP = 1W caractéristiques de quelques fibres @ 1550nm Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique progression introduction: l’optique hyperfréquence 1. l’amplification Raman, modèle 2. le bruit i. émission spontanée amplifiée ii. transfert du bruit de la pompe 3. mesures expérimentales de gain et d’ASE 4. réduction du bruit i. modèle classique ii. modèle quantique conclusion et perspectives 12 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique le bruit en amplification Raman, transfert de RIN pompe fibre amplification Stokes 13 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique le bruit en amplification Raman, transfert de RIN transfert du bruit pompe fibre Stokes amplification RIN (z, ) : largeur spectrale de la mesure W (z, ) 2 P(z,t) W (z, ) : densité spectrale de puissance P(z,t) : puissance moyenne RIN S (z, ) RIN P (z, ) 13 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique 14 le bruit en amplification Raman, transfert de RIN principe du calcul » définition des ondes P E p (t) P Ap ( P ) ei P S t d P E S (t) AS ( S ) S ei t d S E B (t) S B AB ( P ) ei t d B B Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique 14 le bruit en amplification Raman, transfert de RIN principe du calcul » définition des ondes P E p (t) P Ap ( P ) ei P S t d P E S (t) AS ( S ) S ei t d S E B (t) E P (t) jP ( ) , la TF de S 2 j P (0) intensité moyenne 2 j P ( ) bruit d' intensité 2 B AB ( B ) ei t d B B Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique 14 le bruit en amplification Raman, transfert de RIN principe du calcul » définition des ondes P E p (t) P Ap ( P ) ei P S t d P E S (t) AS ( S ) S ei t d S E B (t) E P (t) jP ( ) , la TF de S 2 j P (0) intensité moyenne 2 B AB ( B ) ei t d B B si P<< R on montre que GR E p (t) j P ( ) bruit d' intensité 2 2 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique 15 le bruit en amplification Raman, transfert de RIN » équation de propagation du bruit FWM pompe/signal dab (z, S ) 4 2 (3) i eff ( P , P , S )AS (z) j P(z, S )exp ik(1)z dz n 3 2 2 (3) eff ( P , P , S ) dS jP(z, S S )ab (z,S )exp ik(2)z S ab (z, S ) n 2 pertes de propagation amplification Raman du bruit 1 désaccords : k v P (1) 1 1 (2) S et k v S v P vx, vitesses de groupe 1 ( S S) v S Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique le bruit en amplification Raman, transfert de RIN pompe monochromatique modulée en amplitude, m EP (0,t) AP (0)1 sin t 2 13 dB 16 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique 17 le bruit en amplification Raman, transfert de RIN pompe à spectre large amplification nette : 40dB L :1km : 0,046km-1 D : 2ps/km/nm Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique 17 le bruit en amplification Raman, transfert de RIN pompe à spectre large amplification nette : 40dB L :1km : 0,046km-1 D : 2ps/km/nm Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique 18 le bruit en amplification Raman, transfert de RIN En bref, configuration contra-propageante favorable transfert constant pour les basses fréquences (< 100 kHz) décroissance quadratique du transfert à hautes fréquences pompe modulée: excès de bruit basses fréquence gain net pompe spectre large: pas d’excès de bruit BF Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique progression introduction: l’optique hyperfréquence 1. l’amplification Raman, modèle 2. le bruit i. émission spontanée amplifiée ii. transfert du bruit de la pompe 3. mesures expérimentales de gain et d’ASE 4. réduction du bruit i. modèle classique ii. modèle quantique conclusion et perspectives 19 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique mesures expérimentales, montage contra-propageant signal MZ piège OSA mux co mux contra Signal RF fibre pompe 20 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique 20 mesures expérimentales, montage contra-propageant signal piège OSA mux co MZ mux contra Signal RF diode laser accordable (signal) fibre pompe laser Raman Keopsys (pompe) • P max: 2 W 0 -20 -40 P -60 P: 1481 nm • FWHM: 1 nm • -80 1569.0 1570.0 1571.0 longueur d'onde (nm) 1572.0 PS: -2010 dBm • S: 15201620 nm • FWHM < 1 MHz • Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique mesures expérimentales, montage contra-propageant signal piège OSA mux co MZ mux contra Signal RF fibre fibres optiques pompe @1,55m SMF28 NZ-DSF Aeff 80m2 65m2 D 17ps/(nm.km) 8ps/(nm.km) S 0,09ps/(nm2.k 0,06ps/(nm2.k m) m) 0,2dB/km S L = 20 km SMF •gRmax: 1,3*10-13m/W • PP0 = 1500 mW • FWHM: 20 nm • 21 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique mesures expérimentales, résultats co/contra 5 co contra 0 L = 22,5 km SMF PP = 1700 mW PSin = -20 dBm G = 24,5 dB (net) puissance (dBm) -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 1569 1570 1571 longueur d'onde (nm) avantage au contrapropageant 22 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique mesures expérimentales, influence de la modulation RF PSin = -20 dBm fréq. mod 20 GHz ampl. mod 10 dBm 23 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique mesures expérimentales, influence de la modulation RF PSin = -20 dBm fréq. mod 20 GHz ampl. mod 10 dBm PP = 1600 mW L = 22,5 km SMF G = 21 dB (net) 23 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique mesures expérimentales, influence de la modulation RF PSin = -20 dBm fréq. mod 20 GHz ampl. mod 10 dBm PP = 1600 mW L = 22,5 km SMF G = 21 dB (net) optiquement, pas de dégradation du signal RF 23 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique 24 mesures expérimentales, RIN Comparaison de RIN PS in: -20 dBm PS,out PASE 1 1 RIN (OSNR)2 BP (en Hz) OSNRout Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique 24 mesures expérimentales, l’EDFA Comparaison de RIN PS in: -20 dBm PS,out PASE 1 1 RIN (OSNR)2 BP (en Hz) OSNRout EDFA Keopsys • Gmax petit signal : 40 dB • PS out max: 27 dBm Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique 24 mesures expérimentales, l’EDFA Comparaison de RIN PS in: -20 dBm PS,out PASE 1 1 RIN (OSNR)2 BP (en Hz) OSNRout EDFA Keopsys amplificateur Raman • Gmax petit signal : 40 dB • PS out max: 27 dBm Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique progression introduction: l’optique hyperfréquence 1. l’amplification Raman, modèle 2. le bruit i. émission spontanée amplifiée ii. transfert du bruit de la pompe 3. mesures expérimentales de gain et d’ASE 4. réduction du bruit i. modèle classique ii. modèle quantique conclusion et perspectives 25 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique réduction du bruit » un milieu Raman, transition R » un signal, fréquence S » 2 pompes, fréquences P1 et P2 configuration contrapropageante » P P R 1 » 2 2 4 2 (3) 2 G eff EP1 EP2 n 26 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique réduction du bruit, modèle classique EP E P1 dif fusion Raman stim ulée arriè re ES E P1 n modulation d'indice : n n exp iKz t c.c. d'amplitude : n A E P E S defréquence : P S * devecteur d'onde : K k P k S 27 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique réduction du bruit, modèle classique P P R suppression du gain Raman 1 2 E P2 E P1 E S1 (a) dif fusion stim ulée E S2 n1 E P1 E P2 n2 E D 2 E S2 E D1 E S1 n 2 n1 * * à la fréquence S : E E n n E E E E D1 P1 1 2 P1 P1 S1 P2 E S2 1 à la fréquence S2 : E D2 E P2 n2 n1 E P2 E P*2 E S2 E P*1 E S1 nul E P*2 E S2 E P*1 E S1 0 gain P1/ 2 S1/ 2 P2/1 S2/1 dans le cas où S1 S2 alors P1 P2 28 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique progression introduction: l’optique hyperfréquence 1. l’amplification Raman, modèle 2. le bruit i. émission spontanée amplifiée ii. transfert du bruit de la pompe 3. mesures expérimentales de gain et d’ASE 4. réduction du bruit i. modèle classique ii. modèle quantique conclusion et perspectives 29 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique réduction du bruit, modèle quantique • S L b 1 R 2 ondes Stokes représentées par des états de Fock à 0 ou 1 photon: 0S1/2 et 1S1/2 • L a 2 2 faisceaux pompe représentés par des états de Fock à NL1/2 photons • 1 S transition Raman de l’état a vers l’état b 30 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique 30 réduction du bruit, modèle quantique • S L b 1 ondes Stokes représentées par des états de Fock à 0 ou 1 photon: 0S1/2 et 1S1/2 • L R 2 2 a 2 faisceaux pompe représentés par des états de Fock à NL1/2 photons • 1 S transition Raman de l’état a vers l’état b opérateurs champs électriques des ondes pompe et Stokes: • E Li Li i 4 Li êLi qLi exp ik Li rexp i Li qLi exp ik Li rexp i Li 3 L nLi E Si Si i 4 Si ê q exp ik r q exp ik Si r S S S S 3 i i i i L n Si action des opérateurs : N j q j N j 1 N j 1 q j N j N 1 1 2 j 2 j , j Li ,Si Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique 31 réduction du bruit, modèle quantique • état initial du système:i a N L N L 0 S 0 S 1 2 1 état final dégénéré: f1 b NL 1 NL 1 S 0 S et • 1 2 1 L b S1 S 1 L R 2 a 2 2 2 f2 b N L1 N L 2 1 0 S1 1 S2 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique 31 réduction du bruit, modèle quantique • état initial du système:i a N L N L 0 S 0 S 1 2 1 2 f2 b N L N L 1 0 S 1 S état final dégénéré: f1 b NL 1 NL 1 S 0 S et • probabilité d’effectuer la transition Raman de l’état a vers l’état b • 1 L b S L 1 2 1 2 dpi f i 2 K (2) fi dt 2 R 2 2 1 1 S1 a 2 K (2) fi f H g1n g1n H i f H g2n g2n H i Ef Eg1n Ef Eg2n n H E P opérateur transition à 2 photons Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique 31 réduction du bruit, modèle quantique • état initial du système:i a N L N L 0 S 0 S 1 2 1 2 f2 b N L N L 1 0 S 1 S état final dégénéré: f1 b NL 1 NL 1 S 0 S et • probabilité d’effectuer la transition Raman de l’état a vers l’état b • 1 L b S L • 1 2 1 2 dpi f i 2 K (2) fi dt 2 R 2 2 1 1 S1 a 2 K (2) fi f H g1n g1n H i f H g2n g2n H i Ef Eg1n Ef Eg2n n opérateur transition à 2 photons états intermédiaires: H E P g1n n N L1 1 N L 2 0 S1 0 S 2 g1n n N L1 N L 2 1 S1 0 S 2 g2n n N L1 N L 2 1 0 S1 0 S 2 g2n n N L1 N L 2 0 S1 1 S 2 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique réduction du bruit, modèle quantique pour des ondes pompes de fréquence voisines et dans le même état de polarisation dp i f i dt N L 1 N L 2 2 N L 1 N L 2 cos L1 L2 minimale lorsque les ondes pompes sont en opposition de phase nulle si, de plus les ondes pompe sont d’intensité égales SUPPRESSION DE L’ÉMISSION SPONTANÉE 32 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique réduction du bruit, modèle quantique pour des ondes pompes de fréquence voisines et dans le même état de polarisation dp i f i dt N L 1 N L 2 2 N L 1 N L 2 cos L1 L2 minimale lorsque les ondes pompes sont en opposition de phase nulle si, de plus les ondes pompe sont d’intensité égales SUPPRESSION DE L’ÉMISSION SPONTANÉE Q: l’incidence de conditions approximatives ? 32 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique 32 réduction du bruit, modèle quantique pour des ondes pompes de fréquence voisines et dans le même état de polarisation dp i f i dt N L 1 N L 2 2 N L 1 N L 2 cos L1 L2 minimale lorsque les ondes pompes sont en opposition de phase nulle si, de plus les ondes pompe sont d’intensité égales SUPPRESSION DE L’ÉMISSION SPONTANÉE R, dB R: suppression du bruit Q: l’incidence de conditions approximatives ? R N L1 N L 2 2 N L 1 N L 2 cos L1 L2 NL1 N L 2 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique conclusion amplification Raman + micro-ondes : bruit gain amplificateur Raman à fibre : alternative aux EDFAs identification des principales sources de bruit : » ASE » transfert de bruit de la pompe atténuation en 2 pour >100kHz pas d’ajout de bruit en pompe large développement d’un modèle original de réduction du bruit d’émission spontanée 33 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique perspectives mesures électriques de RIN, à haute fréquence de bruit de phase optimisation (laser(s) de pompe, fibre…) montage de suppression du bruit d’émission spontanée amplifiée, utilisation de PMF étude en régime de saturation de l’ampli 34 sébastien maerten & co robert frey mathieu jacquemet merci… vincent reboud bertrand tout le personnel de l’institut d’optique marianne/jo’fab nadia boulay magali astic philippe delaye carole arnaud mr mme K. stéphanie molin antoine godard gilles pauliat antoine/maïté gérald roosen sébastien de rossi nicolas dubreuil xtof/mylène pierre lecaruyer jean-michel desvignes jean-pierre huignard daniel dolfi guillaume maire peg/alex sylvie lebrun frédéric guattari sylvie tonda marie-claire alima/haby/aminata ben mireille cuniot-ponsard sofiane bahbah evelin weidner philippe/lenaïck jean-michel jonathan
