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jJ lüJj؛t Université Abou Bekr Belkaid Tlemcen Algérie République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique ١ ٢ ٢UNIVERSITE ABOU BEKR BELKAID TLEMCEN FACULTÉ DE TECHNOLOGIE DEPARTEMENT DE TELECOMMUNICATIONS LABORATOIRE DE TELECOMMUNICATIONS Mémoire pour l’obtention du diplôme de Master en Télécommunications Option : Photonique et Réseaux Optiques de Télécommunications (PROTONS) ١ ١ ، Thème Étude et comparaison entre les différents types d'amplificateurs optiques : EDFA, SOA, et Raman Présenté par : Mlle.Berrahil Nor El houda Mlle.Benhammou Khalida Soutenu le 24 Mai 2016 devant le jury composé de M C A Université de Tlemcen M C A Université de Tlemcen M C A Université de Tlemcen M C A. Université de Tlemcen Président : Mr. KAMECHE. S Examinateurs : Mr. KARIM. F. A Mr. BOUACHA A Encadreur : Mr KHELLADI. M Année Universitaire 2015-2016 ^ e m e r c î m e n t ؛En préambule à ce mémoire nous remercions le bon dieu qui nous aide et nous donne la patience et courage durant ces longues années d'étude, Ç%u nom de la science et de la technologie et de l ’ esprit scientifique au nom de la vertu de travail et de l ’ esprit d'élévation de la connaissance, nous tiendrons à remercier notre encadreur (¿Mr. ÇKhelladi ÇNiounir, pour ses précieux et judicieux conseils ses justes critiques qui témoignent de l'intérêt qu il nous apportent QMr.karim et ÇNlr ÇBouacha et le président de s ju ry ^ïNhr. ÇKameche Samir pour avoir accepté d 'examiner ce travail de mémoire in jin nous adressons nos plus sincères remercîments à tous nos proches qui nous ont toujours soutenues et encouragées au cours de la réalisation de ce mémoire II Q.Dédicace mes chers parents qui m 'ont toujours poussé et motivée dans mes études. Ce mémoire représente donc l 'aboutissement du soutien et des encouragements qu ils m 'ont prodigués tout au long de ma scolarité,qu 'ils en soient remerciés par cette modeste dédicace ma précieuse sœur mes cousins mes chers amis ÎEiÿin à mon binôme ÇBenhammou khalida (fNor eh houda..... iii Q.Dédicace mes chers parents qui m 'ont toujours poussé et motivée dans mes études. Ce mémoire représente donc l 'aboutissement du soutien et des encouragements qu ils m 'ont prodigués tout au long de ma scolarité .qu’ ils en soient remerciés par cette modeste dédicace. ma précieuse sœur ÇK mes cousines mes chers amis L £nfin à mon binôme ÇBerrahil nor el houda ÇKhalidcL ....... IV Table de matière Introduction générale........................................................................................................................ 2 1.1 Historique.....................................................................................................................................5 1.2 Introduction.................................................................................................................................. 6 1.3 Systèmes de transmission optique..............................................................................................7 1.3.1 Interface optique de l’émission............................................................................................7 1.3.1.1 Codage de source.............................................................................................................. 7 1.3.1.2 Les source optique............................................................................................................. 8 1.3.1.2.1 Diode électroluminescente.............................................................................................8 1.3.1.2.2 Laser................................................................................................................................ 9 I.3.1.3 Modulateur..................................................................................................................... 14 1.3.2 Le support de transmission.........................................................................................15 1.3.2.1 Structure de la fibre optique..........................................................................................15 1.3.2.2 Propagation de la lumière dans une fibre optique..................................................... 16 1.3.2.3 Type de fibre optique....................................................................................................18 1.3.2.3.1 Les fibres monomode.................................................................................................18 1.3.2.3.2 Les fibres multi-mode...............................................................................................19 A. Fibres à saut d’indice...........................................................................................................19 B. Fibre à gradient d’indice......................................................................................................20 1.3.2.4 Caractéristique des fibres optiques...............................................................................21 1.3.2.4.1 Atténuation dans la fibre optique..............................................................................21 1.3.2.4.2 La dispersion...............................................................................................................23 1.3.2.5 Répéteur ou régénérateur de signal.............................................................................24 1.3.2.5.1 Amplificateur optique................................................................................................25 I.3.3 L'interface optique de réception..................................................................................25 1.3.3.1 La photodiode PIN ...................................................................................................... 25 1.3.3.2 Photodiode à avalanche PDA.......................................................................................27 Chapitre II : les amplificateurs optique dopé en erbium............................................................ 30 II.1 Introduction............................................................................................................................30 V II.2 L’amplificateur optique dopé à Terbium..............................................................................30 II .2.1 Définition........................................................................................................................ 30 11.2.5 Système à deux niveaux..................................................................................................34 11.2.5.1 L’absorption.................................................................................................................34 11.2.5.2 Émission stimulée........................................................................................................34 II.2.5.3.2.Nonradiative..............................................................................................................36 11.2.6 Principe d’un système à trois niveaux...........................................................................36 11.2.6. 2 Evolution en régime non-stationnaire........................................................................38 11.2.7 Les caractéristique de l’amplificateur optique EDFA................................................ 39 II.2.7.1. Gain.............................................................................................................................39 11.2.7. 2 Saturation d’amplificateur..........................................................................................40 11.2.7. 3 Rapport signal à bruit..................................................................................................41 11.2.7.4 Facteur de bruit............................................................................................................41 11.2.7.5 Longueur optimale.......................................................................................................42 II .3 Les avantages de ce type d’amplificateur.......................................................................43 II .4 Conclusion............................................................................................................................. 44 Chapitre III : les amplificateurs à base semi-conducteur........................................................... 45 III.1 Introduction........................................................................................................................... 45 111.2 Rappels sur le semi-conducteur...........................................................................................46 III 2.1 Caractéristiques d’un semi-conducteur.........................................................................48 111.2.2 Type du semi-conducteur...............................................................................................49 111.2.2.1 Semi-conducteur intrinsèque......................................................................................49 111.2.2.2 Semi-conducteur extrinsèque.......................................................................................49 111.2.3 La théorie des alliages..................................................................................................... 50 111.2.4 Notion du gap direct et du gap indirect dans un semi-conducteur.............................. 51 111.2.5 Les semi-conducteurs III-V.............................................................................................52 111.2.5.1 Description de l’alliage quaternair e.............................................................................52 111.3 Amplificateurs optiques à semi-conducteurs.....................................................................53 111.3.1 Définition........................................................................................................................53 111.3.2 Principe générale d’un amplificateur optique à semi -conducteurs...............................53 111.3.2 Facteur de confinement..................................................................................................56 111.3.3 Caractéristique d’un amplificateur optique à semi-conducteurs.................................57 III.3.3.1 Gain optique.................................................................................................................57 VI III.3.3.3 Puissance de saturation................................................................................................59 III.4 Avantages et inconvénients des amplificateurs à semi-conducteurs ..................................59 Chapitre IV : les amplificateurs optique Raman........................................................................... 61 IV.1 Introduction..............................................................................................................................61 IV .2 Amplificateur Raman.............................................................................................................61 IV.2.1 Définition........................................................................................................................ 61 IV.2.2 Principe de fonctionnement............................................................................................62 IV.2.3 Les caractéristiques de l’amplificateur Raman..............................................................66 IV.2.3.1 Gain de l’amplificateur Raman....................................................................................66 IV.2.3.1.1 Gain, sans déplétion de la pompe :.........................................................................66 IV.2.3.1.2 Gain, régime de déplétion de la pompe : .............................................................. 68 IV.2.3.2 Le bruit dans l’amplificateur Raman...........................................................................69 IV .2.3.2.1 Équations d’évolution du signal et des densités spectrales de bruit...................69 IV.2.3.2.2 Facteur de bruit de l’amplificateur Raman........................................................... 70 IV .3.2.3 Le rapport signal sur bruit......................................................................................... 72 IV.4 Avantages d’amplificateur Raman........................................................................................72 IV.5 Comparaison entre les trois types d’amplificateurs.............................................................73 IV.6 Conclusion...............................................................................................................................74 Chapitre V : Simulation et comparaison des résultats..................................................................77 V.1 Introduction............................................................................................................................. 77 V.2 Présentation du logiciel OptiSystem.......................................................................................77 V.2.1 Applications d’Optisystem.........................................................................................78 V.2.2 Principales caractéristiques du logiciel Optisystem........................................................78 V.2.3 Avantage du logiciel OptiSystem....................................................................................79 V.3 Présentation de la simulation..............................................................................................79 V.3.1 Module d’émission........................................................................................................79 V.3.2 Support de transmission................................................................................................79 V.3.3 Module de réception......................................................................................................80 V.4.Conclusion.................................................................................................................................96 Conclusion générale.........................................................................................................................98 Bibiographie.................................................................................................................................XIV VII VIII IX Tableau des figures Figure I-1 : Synoptique général d’un système de communications par fibre optique ................ 7 Figure I-2: Symbole de la DEL.......................................................................................................8 Figure I-3: Phénomène d'émission spontanée............................................................................... 9 FigureI-4: Phénomène absorption................................................................................................ 10 Figure I-5:Phénomène d'émission stimulée................................................................................. 11 Figure I-6:Les lasers Fabry-Pérot (FP).........................................................................................11 Figure I-7: lasers Distributed Feedback (DFB)............................................................................11 Figure I-8: les lasers Distributed Bragg Reflector (DBR)..........................................................12 Figure I-9:Les lasers Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL)..................................12 Figure I-10 : Structure de la fibre optique....................................................................................16 FigureI-11 :Réflexion et réfraction d’un rayon incident sur la surface de séparation des deux milieux.............................................................................................................................................17 Figure I-12:Guidage de la lumière dans le milieu d’indice ni par réflexion totale interne. .. 17 Figure I-14 : Etalement du signal optique dans une fibre monomode...................................... 18 Figure I-15:Structure de la fibre à saut d’indice..........................................................................20 Figure I-16:Etalement du signal optique dans une fibre à saut d’indice................................... 20 Figure I-17 : Structure de la fibre à gradient d’indice...............................................................20 Figure I-18 : Etalement du signal optique dans une fibre à gradient d’indice......................... 21 Figure I-19 : Atténuations dans la fibre optique .........................................................................21 Figure I-20 : Atténuation d’une fibre optique ....................................................................... 22 Figure I-21:Évolution de l’impulsion pendant sa propagation dans la fibre optique.............23 Figure I-22 : Structure d’une photodiode PIN ....................................................................... 26 Figure I-23 : Photodiode à avalanche (APD).............................................................................. 27 Figure I-24 Tchebychev...........................................................................................................28 Figure II.1 : structure de l’amplificateur à fibre optique dopé en erbium..................................31 VIII Figure II-2 : Tableau périodiques des éléments..........................................................................32 Figure II-3 : principe de fonctionnement d’EDFA......................................................................33 FigureII-5 : principe de l’émission stimulée............................................................................... 35 FigureII-6 : Désexcitation radiative..............................................................................................35 Figure II-7: T a u x de tra n sitio n e n tre n iv e a u x d 'é n e rg ie .......................................36 Figure II-8 : système à 3 niveaux d’énergie............................................................................... 36 Figure II-9 : la variation de gain et le facteur de bruit en fonction de la longueur d’onde .... 42 Figure IV-1 : Principe d’une liaison utilisant l’amplificateur Raman distribuée......................62 Figure IV-2 : Représentation schématique de différents phénomènes produits dans l’interaction d’un faisceau lumineux avec un milieu dense ....................................................... 63 Figure IV-3 : Représentation schématique des transitions énergétiques à la base de la diffusion Raman..............................................................................................................................................64 Figure IV-4 : Schéma de principe de la diffusion Raman au sein d’une fibre optique en silice pure [ ................................................................................................................................................ 65 Figure IV-6 : Spectre Raman dans une fibre en silice pour longueur d’onde de pompe de 1450 nm.....................................................................................................................................................66 Figure IV-7 : Evolution du facteur de bruit en fonction de la puissance du signal à niveau de bruit de pompe constant.................................................................................................................. 71 Figure IV-8 : Evolution du facteur de bruit en fonction du niveau de bruit de pompe à niveau de puissance signal constante.........................................................................................................71 Figure V.1 : Schéma de l’interface OptiSystem..........................................................................78 Figure V-2 : Schéma bloc de la liaison de simulation..................................................................81 Figure V-3 : le paramétrage de l’amplificateur EDFA...............................................................82 Figure V-4 : Visualisation globale de la puissance d’entrée......................................................82 Figure V-5 : Visualisation globale la puissance de sortie..........................................................83 Figure V-6 : diagramme de l’œ il..................................................................................................84 Figure V-7 : tableau des parametres............................................................................................84 Figure V-8 : Visualisation globale de la puissance d’entrée.......................................................85 Figure V -9: Visualisation globale de la puissance de sortie....................................................85 Figure V-10 : Visualisation globale la puissance de sortie...................................................... 86 IX Figure V-11 : tableau des paramètres...........................................................................................86 Figure V-12 : Schéma bloc de la liaison de simulation.............................................................. 87 Figure V-13: le paramétrage de l’amplificateur SOA................................................................88 Figure V-14 : visualisation de la puissance de l’entrée..............................................................88 Figure V-15 : visualisation de la puissance de l’entrée..............................................................89 Figure V-16 : diagramme de l’oeil............................................................................................... 89 Figure V-17 : tableau des parametres...........................................................................................89 Figure V-18 : visualisation de la puissance de l’entrée..............................................................90 Figure V-19 : Figure : Visualisation globale de la puissance de sortie...................................91 Figure V-21: tableau des parametres............................................................................................ 92 FigureV-22: Schéma bloc de la liaison de simulation : .............................................................. 93 FigureV-23: le paramétrage de l’amplificateur Raman............................................................... 94 Figure V-24 : visualisation de uploads/Litterature/ ms-tel-berrahil-benhammou-pdf.pdf