Amplificateur optique à fibre dopée erbium sous
irradiation gamma

Calculs du gain et du facteur de bruit d’un amplificateur optique

Calcul du gain

Le gain G d’un amplificateur correspond au rapport entre la puissance du signal en sortie Ps et la puissance du signal en entrée Pe [Becker 1999]: s e P ( ) G( )=P ( ) λ λ λ (Eq.V-1) Le gain peut également être exprimé directement en dB si les mesures de puissance de Ps et Pe sont exprimées en dBm. Dans ce cas, G(λ)(dB) n’est autre que : G( (dB) s (dBm) e (dBm) λ) = P (λ) – P (λ) (Eq.V-2) Les mesures de Ps et de Pe sont acquises à la longueur d’onde du signal, comme cela est schématisé sur la Figure V-1. Si l’on souhaite calculer le gain sur toute une bande spectrale, on réitère le calcul pour différentes longueurs d’onde.La mesure du gain est une mesure relative et les incertitudes de mesure sur les puissances d’entrée et de sortie affectent la mesure du gain de la même manière et nous avons estimé que le gain est calculé avec une erreur n’excédant pas ± 0.5 dB. 

Calcul du facteur de bruit 

Le bruit dans un amplificateur optique correspond aux photons créés dans l’amplificateur et qui ne correspondent pas au signal à amplifier. En effet les niveaux de puissance mesurés en sortie et en entrée de l’EDFA sont en fait la somme de la puissance du signal et de la puissance d’une partie de l’émission spontanée de la source (ES). Idéalement, un EDFA amplifie le signal d’entrée et ne produit pas de signal additionnel. Cependant, l’EDFA produit une émission spontanée amplifiée (ESA) et celleci s’ajoute à celle produite par la source (ES). Cette émission spontanée amplifiée correspond donc au bruit dans l’amplificateur. Comme le spectre de sortie (cf. Figure V-2) contient à la fois l’émission spontanée de la source (ES) et celle de l’amplificateur (ESA), cette dernière ne peut pas être directement déterminée. Pour le calcul du facteur de bruit d’un EDFA, il est nécessaire de connaître le niveau d’ESA généré par l’amplificateur, il est calculé comme la différence entre la puissance d’émission spontanée en sortie et la puissance équivalente d’émission spontanée de la source amplifiée par l’EDFA :ESAEDFA sort = ESA ie – ESsource × G (Eq.V-3) Pour calculer correctement le facteur de bruit, l’ESA doit être déterminée à la longueur d’onde du signal. Elle ne peut pas être mesurée directement puisque le niveau de puissance du signal masque le niveau d’ESA à cette longueur d’onde. Pour déterminer l’ESA à la longueur d’onde du signal, l’ESA est mesurée juste avant et juste après le signal (typiquement 1 nm), et par interpolation linéaire on calcule l’ESA à la longueur d’onde du signal. Le facteur de bruit FB est calculé moyennant la formule suivante [Becker 1999]: υ + EDFA w ESA 1 FB = h. .G.B G (Eq.V-4) où ESAEDFA est l’émission spontanée amplifiée de l’EDFA, h la constante de Planck, ν = c/λ est la fréquence en Hz du signal avec c la vitesse de la lumière et λ la longueur d’onde du signal, Bw la bande passante de l’analyseur de spectre optique exprimé en Hz et G le gain de l’amplificateur préalablement calculé. Nous avons également estimé l’erreur commise sur le calcul du facteur de bruit et ce dernier est évalué avec une erreur n’excédant pas ± 1 dB.

Paramètres pour les campagnes d’irradiation gamma des amplificateurs optiques à fibres dopées erbium

Nous avons procédé à l’irradiation de huit amplificateurs optiques à fibres dopées erbium répartis en deux campagnes. Quatre amplificateurs ont été testés en même temps dans chaque campagne. Le dispositif expérimental utilisé pour l’irradiation simultanée de quatre EDFAs est celui décrit dans le paragraphe II.2.4. Comme nous l’avons déjà signalé, seules les fibres dopées erbium sont placées dans le faisceau de rayons gamma. Nous avons choisi d’irradier nos EDFAs avec le débit de dose utilisé lors des irradiations gamma passives de nos fibres dopées erbium : 45 Gy٠h-1. Le temps d’exposition a été conditionné par les réponses des fibres utilisées au regard de la dynamique des appareils de mesure. Pour la première campagne, les fibres ont été exposées aux rayons gamma pendant 17 h et 28 minutes. Lors de la deuxième campagne, le temps d’irradiation a été de 17 h et 32 minutes. Les fibres ont donc reçu dans les deux cas une dose totale d’environ 790 Gy. Toutes les mesures ont été faites à une température de 50°C. Celle-ci est imposée par la source de 60Co que nous avons utilisée. Nous ne pouvions pas descendre en température avec cette source. C’est pour cette raison que les irradiations ont été réalisées à cette même température de 50°C, stabilisée et contrôlée afin de ne par avoir d’effet dû à sa variation. Les amplificateurs sont pompés avec des diodes laser émettant à 980nm. Le gain d’un amplificateur optique dépend de la longueur et de la concentration en ion erbium de la fibre dopée erbium qui le constitue. Pour la première campagne d’irradiation, nous avons choisi quatre fibres parmi celles que nous avions à notre disposition : trois avec un co-dopage erbium/aluminium classique (D#1, D#2, D#3) et une avec très peu d’aluminium (D#5). Lors de la seconde campagne d’irradiation, nous avons focalisé notre étude sur les fibres D#1 (avec 10%wt d’aluminium) et D#7 (avec très peu d’aluminium). Les fibres D#1, D#2 et D#3 présentent une concentration en erbium assez proche (la concentration en erbium de D#2 est légèrement plus faible que celles de D#1 et D#3) et nous avons utilisé la même longueur pour les trois fibres fixée à 10 m. Les fibres D#5 et D#7 ont une concentration en erbium plus faible que les trois autres, nous avons alors utilisé 12 m de ces fibres pour fabriquer les EDFAs. Les spectres de gain de ces différentes fibres avant irradiation sont donnés en Figure V-3 avec la valeur de la puissance de pompe utilisée à chaque fois. Malgré une longueur plus grande pour les amplificateurs composés avec les fibres D#5 et D#7, leur gain maximum est de l’ordre de la vingtaine de dB, tandis que les autres amplificateurs dépassent la trentaine de dB. Nous avons gardé ces conditions car nous ne disposions pas de longueurs plus importantes pour la fibre D#5 et nous tenions à garder un gain assez grand pour les autres fibres. En effet, comme montré précédemment au chapitre III, les fibres à forte concentration d’aluminium (D#1, D#2, D#3) présentent des pertes induites supérieures à celles avec une faible concentration en aluminium (D#5, D#7). Lors de la première campagne, nous conservons la même puissance de pompe afin de pointer l’influence des co-dopants des fibres dopées erbium. Dans la seconde campagne, nous avons utilisé uniquement les fibres D#1 et D#7 car elles présentent des comportements typiques des deux types de fibres utilisées lors des campagnes d’irradiation (avec ou presque sans aluminium). Nous avons étudié les effets de deux puissances de pompage optiques différentes. Tous les paramètres d’irradiation ainsi que ceux des fibres dopées erbium sont récapitulés dans la Table V-1.

Mesures du gain et du facteur de bruit des EDFAs sous irradiation gamma

Evolution du gain et du facteur de bruit des EDFAs sous irradiation gamma

Les quatre amplificateurs testés lors de la première campagne d’irradiation gamma sont composés des fibres D#1, D#2, D#3 et D#5 et ils ont été étudiés avec une puissance de pompage optique de 75 mW (λpompe = 980 nm). L’étude des fibres D#1 et D#5, représentatives des deux catégories de fibre testée ici (avec ou presque sans aluminium), met notamment en exergue l’influence de l’aluminium sous irradiation. Les mesures du gain et du facteur de bruit de ces deux fibres en fonction de la longueur d’onde lors de l’irradiation sont illustrées en Figure V-4 pour l’amplificateur D1 et en Figure V-5 pour l’amplificateur D5. Les mesures ont été enregistrées toutes les 12 minutes et nous ne présentons dans les figures que les mesures faites toutes les heures afin qu’elles restent lisibles. Pour l’ensemble les amplificateurs, nous constatons que le gain diminue et que le facteur de bruit augmente au cours de l’irradiation. Ceci met en évidence une baisse des performances des amplificateurs optiques sous irradiation. Les amplificateurs utilisant une fibre à fort dopage en aluminium (D#1, D#2, D#3) présentent une importante dégradation aussi bien du gain que du facteur de bruit. Dans ces amplificateurs D1, D2 et D3, nous pouvons constater que les pertes sont plus importantes aux courtes longueurs d’onde (1520 nm < λ < 1540 nm) comparées aux grandes longueurs d’onde (1540 nm < λ < 1580 nm). Nous avions déjà noté ce comportement lors des irradiations des fibres dopées erbium seules (§ III.1.1.A). Il est donc logique de retrouver ce comportement pour les amplificateurs optiques sous irradiation. Pour l’amplificateur D5, aussi bien les pertes du gain que du facteur de bruit restent très faibles. Contrairement aux autres amplificateurs, les pertes du gain de celui-ci ne varient pas avec la longueur d’onde ; toutes les longueurs d’onde sont dégradées de la même quantité. Sur la Figure V-5.b il n’est pas évident de suivre l’évolution du facteur de bruit en fonction de la longueur d’onde.