Principe de l’amplification par fibre optique dopée à l’Erbium

Principes Physiques

Les transitions électroniques : Il existe dans les matériaux dopés et excités aux ions de terre rare, différents types de transitions électroniques : les transitions radiatives, et non radiatives . Au cours de la propagation dans le matériau, les photons peuvent subir deux importants phénomènes par les ions terres rares : absorption ou émission d’un photon, ce sont donc des mécanismes radiatifs . Les transitions radiatives : Il existe des transitions radiatives impliquant l’absorption ou l’émission de photon et des transitions non-radiatives qui provoquent l’échauffement du matériau.
L’Absorption : Considérons une onde électromagnétique d’énergie E = h ν traversant un matériau dans lequel sont incorporés des ions de terre rare ; plusieurs processus peuvent se produire. Si l’énergie de l’onde incidente est proche de l’écart énergétique ΔE entre l’état fondamental E1 et un état excité E2 de l’ion de terre rare, celui-ci peut absorber un photon . N1 et N2 sont les populations respectives du niveau fondamental et du niveau excité.

L’émission

Emission Spontanée : Une fois dans son état excité et sans aucune action extérieure, les ions de terre rare reviennent spontanément dans leur état d’énergie minimum. Il y a alors émission de lumière; c’est le phénomène d’émission spontanée . Il s’agit là du phénomène réciproque au phénomène d’absorption. Emission Stimulée: L’onde électromagnétique incidente peut provoquer la désexcitation d’un électron dans l’état E2 par émission d’un photon qui a les mêmes caractéristiques que le photon incident .L’émission stimulée peut être vue comme un clonage de photons et nécessite l’inversion de population entre les niveaux E2 et E1 pour se produire. Ce type d’émission est à la base du fonctionnement du laser . Pour obtenir 1’émission stimulée d’atomes, la population N2 du niveau d’énergie E2 doit être supérieure à celle du niveau fondamental N1. Ceci est obtenu en peuplant le niveau supérieur par une excitation extérieure, appelée pompage, conduisant à un phénomène d’inversion de population ; l’équilibre thermique se trouve détruit.

Les transferts d’énergie

Nous avons vu que la probabilité de transition non radiative est liée aux relaxations multi phonon et aux transferts d’énergie entre les électrons. Ces mécanismes d’interaction entre ions voisins sont fonction de la distance inter ionique qui diminue avec 1’augmentation de la concentration. Lors du processus de transfert d’énergie, un ion donneur va céder son énergie à un ion accepteur sans émission radiative. Ce transfert d’énergie peut s’effectuer entre ions identiques ou non. Il existe différents types d’interaction entre les ions conduisant au dépeuplement d’un niveau excite .
Transfert d’énergie résonant: : Dans ce cas, on considère que les deux ions proches voisins présentent des niveaux d’énergie identiques. L’ion donneur D dans son état excite va relaxer vers son état fondamental, ou un niveau inférieur. L’ion accepteur A va alors absorber 1’énergie libérée et ainsi passer de son niveau fondamental vers un de ses niveaux excites. Cette énergie peut être transférée entre ions de terre rare de proche en proche, jusqu’à la rencontre d’une impureté ; dans ce cas l’énergie est perdue et ne conduit pas à une émission de photon .
Transfert d’énergie assiste de phonons : Dans certains cas, la différence d’énergie entre les niveaux impliques dans le transfert n’est pas identique. Le transfert d’énergie ne fait donc pas intervenir les mêmes états excités. Pour que la conservation de 1’énergie soit totale il faut qu’il y ait soit absorption soit émission de phonons, suivant que l’énergie de la transition D* →D est supérieure ou inférieure à celle de la transition A → A* .
Transfert d’énergie par up conversion : L’up conversion est un processus dans lequel deux transitions successives au niveau de l’ion donneur font passer l’ion accepteur dans son état excite à une énergie double de celle du niveau donneur. Un premier photon sert à atteindre le premier état excite A* (par transfert d’énergie résonant, ou par transfert d’énergie assiste de phonons), puis un second photon fait passer l’ion de terre rare de l’état A* vers l’état A** (toujours par transfert d’énergie résonant, ou par transfert d’énergie assisté de phonons).

L’ion Erbium

Les ions terres-rares sont connus pour leurs propriétés magnétiques et surtout pour leur propriété de luminescence. Les transitions électroniques, qui se traduisent par des bandes d’absorption et d’émission étroites, s’étendent de l’infrarouge à l’ultraviolet. La richesse des spectres optiques des terres-rares permet des applications comme luminophores des écrans de télévision, scintillateurs à usage scientifique ou matériaux lasers. Et cela pour fournir une transition amplificatrice à la longueur d’onde de 1550nm. Structure électronique de l’ion Er³†: L’atome d’erbium, de numéro atomique Z=68, fait partie de la famille des lanthanides. Cette famille d’atomes (de Z=57 à Z=71) à la particularité d’avoir une couche interne (4f) partiellement remplie. Les électrons des couches extérieures 5s, 5p, 5d et 6s forment ainsi un « écran protecteur » pour la couche 4f .Ces éléments sont souvent assimilés au groupe des terres rares, même si ce dernier contient en plus les éléments scandium et yttrium. Leur structure électronique est celle du Xénon: [1s22s22p63s2 3p63d104s24p64d105s25p6], à laquelle s’ajoutent deux électrons 6s, des électrons 4f et éventuellement un électron 5d et seuls les électrons de la couche 4f participent aux émissions radiatives.
Dans les matériaux solides on les retrouve sous forme d’ions trivalents de configuration [Xe] 4fN, correspondant au remplissage progressif de la couche 4f du système périodique des éléments. La principale caractéristique des terres rares est le phénomène de contraction des sous-couches 4f. Sous l’influence d’un important puits de potentiel à proximité du noyau, l’extension spatiale des fonctions propres diminue au début de la famille des lanthanides. Ceci a pour effet d’attirer vers les couches plus internes les électrons 4f, qui seront ainsi protégés de l’extérieur par les couches externes 5s et 5p. La contraction de l’orbitale 4f, connue sous le nom de ”contraction des lanthanides” fait la particularité de ces ions et se reflète dans bon nombre de leurs propriétés. Les transitions issues des niveaux d’énergie de cette configuration incomplète 4f, engendrent des longueurs d’onde allant de l’ultraviolet à l’infrarouge .

Amplificateur Optique

Comme n’importe quel amplificateur, un amplificateur optique absorbe l’énergie fournie par le système extérieur désigné par le pompage il la restitue au signal pour l’amplifier. Les amplificateurs à fibre fonctionnent dans la fenêtre de transmission à la longueur d’onde de 1550 nm. Un de leurs avantages est leur intégration dans le dispositif de transmission : ce dispositif se compose pour l’essentiel : d’une fibre active de quelques centimètres de longueur, dopée avec des ions (erbium), et connectée à la fibre de ligne, d’une pompe et d’un dispositif de couplage de la lumière de la pompe vers la fibre dopée. Dans la plupart des cas la pompe est un laser à semi-conducteur. Le couplage de la lumière de la pompe dans la fibre est obtenu à l’aide de multiplexeur. Il est habituel d’ajouter deux isolateurs (diode optique), une à l’entrée, l’autre à la sortie, qui permettent d’assurer la stabilité des caractéristiques de gain en bloquant tous les faisceaux lumineux susceptibles de revenir en aval qui pourraient créer une cavité, et faire osciller le dispositifs, puis le transformer en laser 980 et 1480nm qui sont les deux longueurs d’onde de pompe le mieux adaptées à l’EDFA, car les diodes laser à semi-conducteur sont disponibles à ces longueurs d’ondes. Le multiplexeur optique sélectif en longueurs d’onde, doit présenter une perte d’insertion faible à ces deux longueurs d’onde afin d’optimiser le rendement optique du système.

Principe d’un système à trois niveaux

L’amplification optique est basée sur certaines transitions électroniques des ions erbium. Cette amplification optique repose sur le phénomène d’émission stimulée.
Les électrons initialement au niveau fondamental sont excités au niveau le plus haut dit de pompe par l’absorption d’un photon de pompe à la longueur d’onde λp. La durée de vie du niveau de pompe est extrêmement courte (environ 3μs dans une matrice à base de silice dopée Erbium) et ces électrons se relaxent très rapidement sur le niveau 4I13/ 2 sans engendrer d’émission radiative. Ce niveau possède une durée de vie très grande devant celle du niveau de pompe : environ 10ms. Ainsi un très grand nombre d’électrons s’accumule à l’état excité, ce qui définit une inversion de population. Le passage d’un photon incident de longueur d’onde λs provoque alors une recombinaison électron-trou suivant un processus d’émission stimulée, donnant ainsi naissance à un deuxième photon de caractéristiques identiques. Cela conduit donc à une amplification du signal le long de la fibre optique.

Le pompage optique

Le premier type de pompage peut être obtenu avec un faisceau ayant une longueur d’onde de 980m . Dans ce cas, on est en présence d’un système à trois niveaux. Un photon de pompe à 980 nm permet d’exciter un électron du niveau 4I15/2 vers le niveau 4I11/2. La durée de vie de ce niveau est très faible et un électron présent sur ce niveau se désexcite très rapidement vers le niveau métastable 4I13/2 lors d’une transition non radiative. Un signal de longueur d’onde proche de 1550 nm pourra alors être amplifié. L’ion Erbium présente une faible section efficace d’émission autour de 980 nm ce qui permet de réaliser presque complètement l’inversion de population. Avec ce type de pompage, la dégradation du rapport signal à bruit à la traversée de l’amplificateur est minimale, à condition que la puissance d’entrée soit suffisamment importante.
Les gains obtenus dans cette configuration sont limités par un effet parasite : l’émission spontanée amplifier (ASE : Amplified spontaneous emission). Un ion excité au niveau 4I13/2 peut se désexcité spontanément pour accéder au niveau 4I15/2 et peut s’amplifier le long de la fibre.
Le deuxième type est un pompage à 1480 nm. En première approche, il semble que l’on se trouve alors en présence d’un système à deux niveaux. Cependant, l’éclatement des niveaux discrets en sous niveaux Stark fait apparaître un fonctionnement de type quasi 3 niveaux . Les ions au niveau fondamental sont directement excités vers le niveau métastable 4I13/2. Ce type de pompage permet lui aussi d’obtenir de fortes valeurs de gain, mais étant donné que les niveaux sont de plus en plus proches, conduise à l’augmentation de l’ASE.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : PRINCIPE DE L’AMPLIFICATION PAR FIBRE OPTIQUE DOPEE A
L’ERBIUM
INTRUDUCTION
1.1 Principes Physiques
1.1.1 Les transitions électroniques
1.1.2 Les transitions radiatives
1.1.3 L’Absorption
1.1.4 L’émission
1.1.4.1 Emission Spontanée
1.1.4.2 Emission Stimulée
1.2 Les transitions non radiatives
1.2.1. Les transferts d’énergie
1.3. L’ion Erbium
1.3.1 Structure électronique de l’ion Er³†
1.3.2 L’émission stimulée
1.4. Effet Stark
Figure 10 : Effet Stark sur les niveaux de l’Erbium
1.5. Amplificateur Optique
1.5.1 Principe d’un système à trois niveaux
1.5.2 Le pompage optique
1.6. Conclusion
CHAPITRE 2 : LA FIBRE DOPEE ERBIUM ET SES CARACTERISTIQUES
Introduction
2.1 Procédé(s) classique(s)
2.2 Nanoparticules
2.3 : Application à un verre dopée erbium
2.4 : Guidage d’une onde lumineuse dans une fibre optique
2.5 Les applications visées
3. Caractérisation des paramètres fondamentaux des fibres erbium
3.1 Paramètres opto/géométriques
3.1.1 Diamètre de Cœur
3.1.2: Diamètre de mode
3.1.2: Détermination du profil d’indice
3.2: Paramètres du milieu actif
3.2.1: Estimation du dopage erbium
3.2.2: Mesure de la durée de vie a l’état métastable
3.2.3: Mesure de transmittances 「
3.2.4: Détermination des sections efficaces
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
REFERENCES