Parametric amplification in optical fiber for high bit rate telecommunication
Amplification paramétrique dans les fibres optiques pour les télécommunications à haut débit
Résumé
This thesis deals with Fiber Optical Parametric Amplifiers (FOPA) for telecommunication applications and generation of supercontinuum in optical fibers. Fiber Optical Parametric Amplifiers has a great potential for telecommunication applications because of their wide and tuneable gain bands and its frequency conversion properties. However, lot of studies have to be done to verify that these amplifiers are potentially available for telecommunication applications. We theoretically investigate different solutions to avoid stimulated Brillouin scattering potentially stimulated by the strong continuous pump power used in parametric amplifiers. We study the impact of different phase modulation schemes, usually used to avoid SBS, on the amplification of continuous signal and of intensity modulated signals. Our theoretical results are in agreement with experimental studies realised by Alcatel, and we show that phase modulation of the pump induces parasitic intensity modulations on the amplified signals. Different solutions are proposed to avoid or reduce this phenomenon. We also demonstrate that correct noise figure measurements have to be done in the radiofrequency domain. Then, we simulate WDM signals amplification in a typical fiber optical parametric amplifier configuration. We find that a particular spectral position of WDM channels against pump wavelength allows the reduction of parasitic parametric processes between pump and signals. We study the impact of longitudinal fluctuations of the zero dispersion wavelength on parametric gain curves. We use this sensibility to develop an original method to map these fluctuations in optical fibers of only a few hundred meters. Finally, we propose a theoretical and experimental investigation on the asymmetric broadening of continuous and partially coherent waves propagating in anomalous dispersion regime. Firstly, it is demonstrated that modulation instability, generation of higher order solitons and of dispersive waves explains this phenomenon. Secondly, we show that fiber lasers should be used to pump FOPAs in particular cases. Concerning the generation of supercontinuum, we propose a simple experimental scheme, by using a microchip laser source and a standard telecommunication fiber to generate a spatially single mode supercontinuum exceeding 1100 nm.
Cette thèse porte sur l'utilisation du processus d'amplification paramétrique dans le fibres optiques dans le cadre d'applications en télécommunications (collaboration avec Alcatel) et sur la génération de supercontinuum spectraux. Les Amplificateurs Paramétriques à Fibres Optiques (FOPA) possèdent un potentiel intéressant en vue d'applications en télécommunications, en raison des larges bandes de gain disponibles, de leur accordabilité en longueur d'onde et de leurs propriétés de conversion de fréquence. Nous proposons un travail principalement théorique afin de vérifier la compatibilité de cette nouvelle famille d'amplificateurs avec les performances que requièrent les systèmes de télécommunications actuels. Différents formats de modulation de phase de la pompe sont étudiés afin de s'affranchir de la diffusion Brillouin stimulée, susceptible d'être engendrée par les puissantes pompes continues mises en oeuvre dans ces amplificateurs. Les performances de ces pompes sont ensuite évaluées sur des signaux monochromatiques et sur des signaux modulés en intensités. Ces résultats théoriques, en accord qualitatif avec des essais expérimentaux réalisés par Alcatel, montrent que la modulation de phase de la pompe induit des variations d'intensité pénalisantes pour des applications en télécommunications. Plusieurs solutions permettant de s'en affranchir sont alors proposées. D'autre part, nous démontrons qu'une mesure correcte de la figure de bruit de ces amplificateurs doit être effectuée dans le domaine des radiofréquences. L'amplification de signaux WDM est ensuite étudiée et nous démontrons qu'un positionnement spectral particulier du peigne WDM par rapport à la longueur d'onde de pompe permet de minimiser les interactions paramétriques parasites entre signaux et pompe. Par ailleurs, nous illustrons l'impact des fluctuations longitudinales de la longueur d'onde de dispersion nulle sur l'allure des courbes de gain d'un FOPA. La sensibilité des FOPAs à ces fluctuations nous a d'ailleurs permis de développer une nouvelle méthode de cartographie de la longueur d'onde de dispersion nulle d'une fibre optique de quelques centaines de mètres seulement. Enfin, une étude plus prospective de l'impact de la cohérence partielle d'ondes continues et intrinsèquement spectralement larges de type lasers à fibres sur le processus d'Instabilité de Modulation (MI) est proposée. D'une part nous démontrons que ce processus combiné à l'émission d'ondes dispersives permet d'expliquer l'élargissement spectral asymétrique observé expérimentalement. D'autre part, que l'utilisation de lasers à fibres pour pomper des FOPAs serait envisageable sous certaines conditions. Concernant la génération de supercontinuum spectraux dans les fibres optiques, nous proposons un dispositif expérimental simple, composé d'un micro-laser et d'une fibre de télécommunication standard, qui permet d'obtenir un supercontinuum monomode spatialement de plus de 1100 nm.
Mots clés
nonlinear optics
optical fiber
four wave mixing
modulation instability
parametric amplification
optical telecommunications
partial coherence
zero dispersion wavelength fluctuations
and supercontinuum generation.
Optique nonlinéaire
fibre optique
mélange à quatre ondes
instabilité de modulation
amplification paramétrique
télécommunications optiques
cohérence partielle
fluctuations de la longueur d'onde de dispersion nulle et génération de supercontinuum.
fluctuations de la longueur d'onde de dispersion nulle et génération de supercontinuum