Amplification sans Bruit de Signaux RF sur Porteuse Optique – NAMOCS

Ce travail a débuté par une étude théorique et la réalisation de simulations numériques afin de bien appréhender le fonctionnement des amplificateurs paramétriques à fibre et pour bien choisir les paramètres de la fibre à utiliser pour réaliser l’amplificateur sensible à la phase. Plusieurs configurations ont été proposées et permettant de basculer facilement d’un amplificateur insensible à la phase (PIA) vers un amplificateur sensible à la phase (PSA).

Etude théorique complète des différentes configurations d’ampli sensible à la phase. Gestion des pertes. Proposition d’une source de paires de photons corrélés

- Réalisation et caractérisation de l'amplificateur sensible à la phase
- Construction d'un amplificateur opto-électronique

G. Ferrini, I. Fsaifes, T. Labidi, F. Goldfarb, N. Treps, et F. Bretenaker, “Symplectic approach to the amplification process in a nonlinear fiber: role of signal-idler correlations and application to loss management”, JOSA B 31, 1627-1641 (2014).

Les liaisons opto-hyperfréquences sont appelées à jouer un rôle important dans les futurs systèmes microondes. Elles permettent par exemple de transporter des signaux radars ou des oscillateurs locaux sur porteuse optique sur de longues distances. Elles permettent également de réaliser un certain nombre de fonctions comme des déphasages, l’introduction de retards vrais sur de larges bandes passantes, le filtrage reconfigurable des signaux, ou même des fonctions plus complexes comme de l’analyse spectrale ou de la corrélation de signaux hyperfréquences. Comme tous les systèmes opto-hyper, elles soufrent de pertes dues soit à la conversion opto-hyper, soit tout simplement à la propagation. Les amplificateurs classiques, par exemple à fibre dopée erbium, à semiconducteur, ou à effet Raman dans les fibres, ne permettent pas de compenser ces pertes sans dégrader le rapport signal-à-bruit. En effet, la mécanique quantique nous apprend que le facteur de bruit de tels amplificateurs indépendants de la phase, c’est-à-dire qui amplifient de manière similaire toutes les quadratures du champ, ne peut être inférieur à 3 dB pour un gain tendant vers l’infini. Le projet de recherche NAMOCS concerne l’étude et la réalisation expérimentale d’amplificateurs optiques sensibles à la phase dans le but d’amplifier de tels signaux analogiques sans ajouter de bruit et de construire de nouveaux oscillateurs opto-hyperfréquences.
Il est en effet bien connu que les systèmes d’amplification optique classiques, utilisés par exemple pour les télécoms et basés sur l’émission stimulée, comme les amplificateurs à fibre dopée à l’erbium (EDFA) ou les amplificateurs à semiconducteurs (SOA) ainsi que ceux basés sur l’effet Raman, induisent une pénalité de bruit de 3 dB au minimum. Un moyen de pallier ce problème de bruit inhérent à tous ces systèmes d’amplification qui a été proposé de manière théorique par Caves en 1982 consiste à réaliser un amplificateur sensible à la phase. En imposant une condition sur la phase du signal à amplifier on peut ainsi choisir d’amplifier une seule des quadratures du champ tout en désamplifiant l’autre quadrature. Le niveau total de bruit en sortie de l’amplificateur reste alors identique au bruit initial. On peut ainsi en principe amplifier un signal tout en restant limité par le bruit de grenaille.
Quand on parle d’amplification dépendante de la phase, il est naturel de penser aux processus d’amplification non linéaires car dans ces processus paramétriques, le sens du transfert d’énergie entre les différents faisceaux dépend de leur phase relative. Les fibres optiques ne possèdent pas de coefficient non linéaire d’ordre 2. On peut cependant utiliser le coefficient non linéaire d’ordre 3 dans une fibre et ainsi faire du mélange à 4 ondes avec par exemple deux photons de pompe s’annihilant pour générer un photon signal et un photon complémentaire. Ce mélange à quatre ondes peut être dégénéré ou non dégénéré. Ceci a pu être utilisé dans le cadre de l’optique impulsionnelle pour propager et amplifier des solitons. Cependant les fibres classiques en silice possèdent une faible non-linéarité qui limite les possibilités d’utilisation. Ce problème a été résolu au début des années 2000 avec l’apparition des fibres hautement non linéaires (HNLF) qui possèdent des coefficients non linéaires au moins dix fois plus élevés que les fibres classiques. Des fibres HNLF présentant de très faibles pertes de propagation sont disponibles commercialement et on peut choisir la position du zéro de dispersion, la pente de la courbe de dispersion et éventuellement leur caractère de maintien de la polarisation.
Les objectifs du projet NAMOCS sont de réaliser un amplificateur sensible à la phase basé sur de telles fibres et utilisable pour les liaisons opto-hyperfréquences, puis de l’utiliser dans un oscillateur opto-électronique à faible bruit.