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Amplification Raman pour liaisons opto-hyperfréquences Kafing KEÏTA Laboratoire Charles Fabry de lInstitut dOptique,, CNRS/IO/UPS Thales Research & Technology-France.

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1 Amplification Raman pour liaisons opto-hyperfréquences Kafing KEÏTA Laboratoire Charles Fabry de lInstitut dOptique,, CNRS/IO/UPS Thales Research & Technology-France

2 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique progression introduction: loptique hyperfréquence 1. lamplification Raman, modèle 2. le bruit i. émission spontanée amplifiée ii. transfert du bruit de la pompe 3. mesures expérimentales de gain et dASE 4. réduction du bruit i. modèle classique ii. modèle quantique conclusion et perspectives 1

3 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique progression introduction: loptique hyperfréquence 1. lamplification Raman, modèle 2. le bruit i. émission spontanée amplifiée ii. transfert du bruit de la pompe 3. mesures expérimentales de gain et dASE 4. réduction du bruit i. modèle classique ii. modèle quantique conclusion et perspectives 1

4 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique introduction à loptique hyperfréquence intérêts dune liaison micro- onde analogique sur fibre optique légèreté, compacité faibles pertes optiques faible dispersion pas dinterférence électromagnétique bénéficie des progrès matériels des télécommunications numériques applications distribution de signaux à des antennes lointaines antennes réseaux actives acheminement de signaux à bord de bateaux, davions 2

5 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique introduction à loptique hyperfréquence une ligne analogique modulée sur fibre optique pour la transmission hyperfréquence fibre optique P RF out PD P RF in MZM laser 0 OPT 0 RF RF 0 OPT 0 RF P mod P od T opt 3

6 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique introduction à loptique hyperfréquence une ligne analogique modulée sur fibre optique pour la transmission hyperfréquence fibre optique P RF out PD P RF in MZM laser 0 OPT 0 RF RF 0 OPT 0 RF P mod P od T opt 3

7 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique introduction à loptique hyperfréquence une ligne analogique modulée sur fibre optique pour la transmission hyperfréquence fibre optique P RF out PD P RF in MZM laser 0 OPT 0 RF RF 0 OPT 0 RF P mod P od T opt 2 possibilités pour moduler la porteuse optique 1. la modulation directe: un seul dispositif comme source et modulateur (DFB, FP). bruit, puissance. 2. la modulation externe: P laser implique G complexe, coûteux

8 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique introduction à loptique hyperfréquence origines des pertes de la ligne 4

9 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique introduction à loptique hyperfréquence problème: faibles puissances raisons: modulation externe traitement optique du signal atténuation de porteuse comment amplifier? MZM, principe dopération électrod e P opt V transmissio n V 5

10 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique introduction à loptique hyperfréquence problème: faibles puissances raisons: modulation externe traitement optique du signal atténuation de porteuse MZM, principe dopération électrod e P opt V transmissio n V solutions:1- EDFAs. ASE, largeur de bande 2- SOAs ASE, processus nonlinéaires 3- amplificateurs Raman large bande passante 5 comment amplifier? Q: lamplificateur Raman a-t-il de meilleures caractéristiques de bruit que les EDFAs?

11 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique progression introduction: loptique hyperfréquence 1. lamplification Raman, modèle 2. le bruit i. émission spontanée amplifiée ii. transfert du bruit de la pompe 3. mesures expérimentales de gain et dASE 4. réduction du bruit i. modèle classique ii. modèle quantique conclusion et perspectives 6

12 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique 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: principale source de bruit: Émission Spontanée Amplifiée (ASE) E2E2 pompe E1E1 phonon Stokes R 7

13 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique 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: principale source de bruit: Émission Spontanée Amplifiée (ASE) quelques hypothèses: I Pompe >> I Stokes E2E2 pompe E1E1 phonon Stokes R 7

14 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique 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: principale source de bruit: Émission Spontanée Amplifiée (ASE) quelques hypothèses: I Pompe >> I Stokes I Stokes >> I ASE E2E2 pompe E1E1 phonon Stokes R 7

15 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique diffusion Raman stimulée G, gain net 8 G net en dB P P = 1,5W SMF28

16 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique progression introduction: loptique hyperfréquence 1. lamplification Raman, modèle 2. le bruit i. émission spontanée amplifiée ii. transfert du bruit de la pompe 3. mesures expérimentales de gain et dASE 4. réduction du bruit i. modèle classique ii. modèle quantique conclusion et perspectives 9

17 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique le bruit en amplification Raman, lASE en co-propageant, 0L z dz 10

18 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique le bruit en amplification Raman, lASE caractéristiques de quelques 1550nm 11 P P = 1W P ase, dBm

19 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique le bruit en amplification Raman, lASE caractéristiques de quelques 1550nm 11 P P = 1W P ase, dBmG net, dB

20 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique progression introduction: loptique hyperfréquence 1. lamplification Raman, modèle 2. le bruit i. émission spontanée amplifiée ii. transfert du bruit de la pompe 3. mesures expérimentales de gain et dASE 4. réduction du bruit i. modèle classique ii. modèle quantique conclusion et perspectives 12

21 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique le bruit en amplification Raman, transfert de RIN pompeStokes fibre amplification 13

22 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique le bruit en amplification Raman, transfert de RIN 13 pompeStokes transfert du bruit amplification fibre

23 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique le bruit en amplification Raman, transfert de RIN principe du calcul » définition des ondes P P B S 14

24 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique le bruit en amplification Raman, transfert de RIN principe du calcul » définition des ondes P P B S 14, la TF de

25 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique le bruit en amplification Raman, transfert de RIN principe du calcul » définition des ondes P P B S 14, la TF de si P << R on montre que G R

26 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique le bruit en amplification Raman, transfert de RIN » équation de propagation du bruit 15 désaccords :et FWM pompe/signal amplification Raman du bruit pertes de propagation v x, vitesses de groupe

27 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique le bruit en amplification Raman, transfert de RIN pompe monochromatique modulée en amplitude, dB

28 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique le bruit en amplification Raman, transfert de RIN 17 pompe à spectre largeamplification nette : 40dB L :1km : 0,046km -1 D : 2ps/km/nm

29 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique le bruit en amplification Raman, transfert de RIN 17 pompe à spectre largeamplification nette : 40dB L :1km : 0,046km -1 D : 2ps/km/nm

30 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique le bruit en amplification Raman, transfert de RIN 18 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 dexcès de bruit BF

31 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique progression introduction: loptique hyperfréquence 1. lamplification Raman, modèle 2. le bruit i. émission spontanée amplifiée ii. transfert du bruit de la pompe 3. mesures expérimentales de gain et dASE 4. réduction du bruit i. modèle classique ii. modèle quantique conclusion et perspectives 19

32 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique mesures expérimentales, montage signal pompe OSA piège mux contra mux co fibre Signal RF MZ contra-propageant 20

33 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique mesures expérimentales, montage diode laser accordable (signal) P S : dBm S : nm FWHM < 1 MHz contra-propageant signal pompe OSA piège mux contra mux co fibre Signal RF MZ 20 laser Raman Keopsys (pompe) P P max: 2 W P : 1481 nm FWHM: 1 nm

34 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique mesures expérimentales, montage contra-propageant fibres m SMF28NZ-DSF A eff 80 m 2 65 m 2 D17ps/(nm.km)8ps/(nm.km) S 0,09ps/(nm 2.k m) 0,06ps/(nm 2.k m) 0,2dB/km L = 20 km SMF P P0 = 1500 mW signal pompe OSA piège mux contra mux co fibre Signal RF MZ 21 g R max: 1,3* m/W FWHM: 20 nm S

35 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique mesures expérimentales, résultats co/contra L = 22,5 km SMF P P = 1700 mW P S in = -20 dBm G = 24,5 dB (net) avantage au contra- propageant 22

36 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique mesures expérimentales, influence de la modulation RF P S in = -20 dBm fréq. mod 20 GHz ampl. mod 10 dBm 23

37 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique mesures expérimentales, influence de la modulation RF P S in = -20 dBm fréq. mod 20 GHz ampl. mod 10 dBm P P = 1600 mW L = 22,5 km SMF G = 21 dB (net) 23

38 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique mesures expérimentales, influence de la modulation RF optiquement, pas de dégradation du signal RF P S in = -20 dBm fréq. mod 20 GHz ampl. mod 10 dBm P P = 1600 mW L = 22,5 km SMF G = 21 dB (net) 23

39 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique mesures expérimentales, RIN Comparaison de RIN P S in: -20 dBm 24

40 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique mesures expérimentales, lEDFA 24 EDFA Keopsys G max petit signal : 40 dB P S out max: 27 dBm Comparaison de RIN P S in: -20 dBm

41 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique mesures expérimentales, lEDFA amplificateur Raman 24 EDFA Keopsys G max petit signal : 40 dB P S out max: 27 dBm Comparaison de RIN P S in: -20 dBm

42 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique progression introduction: loptique hyperfréquence 1. lamplification Raman, modèle 2. le bruit i. émission spontanée amplifiée ii. transfert du bruit de la pompe 3. mesures expérimentales de gain et dASE 4. réduction du bruit i. modèle classique ii. modèle quantique conclusion et perspectives 25

43 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 contra- propageante » 26

44 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique réduction du bruit, modèle classique 27

45 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique réduction du bruit, modèle classique suppression du gain Raman 28

46 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique progression introduction: loptique hyperfréquence 1. lamplification Raman, modèle 2. le bruit i. émission spontanée amplifiée ii. transfert du bruit de la pompe 3. mesures expérimentales de gain et dASE 4. réduction du bruit i. modèle classique ii. modèle quantique conclusion et perspectives 29

47 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique réduction du bruit, modèle quantique transition Raman de létat a vers létat b 2 faisceaux pompe représentés par des états de Fock à N L 1/2 photons ondes Stokes représentées par des états de Fock à 0 ou 1 photon: 0 S 1/2 et 1 S 1/2 30

48 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique réduction du bruit, modèle quantique transition Raman de létat a vers létat b 2 faisceaux pompe représentés par des états de Fock à N L 1/2 photons ondes Stokes représentées par des états de Fock à 0 ou 1 photon: 0 S 1/2 et 1 S 1/2 opérateurs champs électriques des ondes pompe et Stokes: 30

49 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique réduction du bruit, modèle quantique 31 état initial du système: état final dégénéré: et

50 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique réduction du bruit, modèle quantique 31 état initial du système: état final dégénéré: et probabilité deffectuer la transition Raman de létat a vers létat b opérateur transition à 2 photons

51 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique réduction du bruit, modèle quantique 31 état initial du système: état final dégénéré: et états intermédiaires: probabilité deffectuer la transition Raman de létat a vers létat b opérateur transition à 2 photons

52 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 32 SUPPRESSION DE LÉMISSION SPONTANÉE minimale lorsque les ondes pompes sont en opposition de phase nulle si, de plus les ondes pompe sont dintensité égales

53 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 32 minimale lorsque les ondes pompes sont en opposition de phase nulle si, de plus les ondes pompe sont dintensité égales SUPPRESSION DE LÉMISSION SPONTANÉE Q: lincidence de conditions approximatives ?

54 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 Q: lincidence de conditions approximatives ? 32 minimale lorsque les ondes pompes sont en opposition de phase nulle si, de plus les ondes pompe sont dintensité égales SUPPRESSION DE LÉMISSION SPONTANÉE R: suppression du bruit R, dB

55 Amplification Raman stimulée de signaux hyperfréquences sur porteuse optique conclusion 33 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 dajout de bruit en pompe large développement dun modèle original de réduction du bruit démission spontanée

56 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 démission spontanée amplifiée, utilisation de PMF étude en régime de saturation de lampli 34

57 merci… stéphanie molin gérald roosen philippe delaye alima/haby/aminata gilles pauliat mireille cuniot-ponsard robert frey jean-pierre huignard daniel dolfi nicolas dubreuil antoine godard nadia boulay frédéric guattari jean-michel desvignes magali astic sylvie lebrun sylvie tonda jean-michel jonathan philippe/lenaïck marie-claire xtof/mylène peg/alex marianne/jofab sébastien maerten & co sébastien de rossi evelin weidner guillaume maire carole arnaud sofiane bahbah tout le personnel de linstitut doptique mr mme K. ben bertrand mathieu jacquemet pierre lecaruyer vincent reboud antoine/maïté


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