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Journal of Optics

A simple model of erbium-doped fibre amplifiers

Guijin Xia, Z Wu, Yung‐Sheng Lin, J Chen, S Tao

Published Aug 1, 1998• 1 citation
Publisher

Abstract

Analytical solutions have been deduced for the rate equations of erbium-doped fibre amplifiers modelled with a two-level atom appropriate to 1480 nm pumped amplifiers. Various key parameters of the amplifiers have been specified and different pump schemes have been compared. Resume. On deduit d'un modele atomique a deux niveaux les equations dynamiques pour des amplificateurs a fibres dopees a l'erbium et pompes a 1480 nm. Le role des parametres importants des amplificateurs est analyse et differents schemas de pompage sont compares. Mots cles: Fibres dopees a l'erbium, modele atomique a deux niveaux

DOI
10.1088/0150-536x/29/4/009

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•Jan 1, 1998•1 citation
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Les télécommunications ont été marquées pendant la fin des années 90 par le développement des transmissions par fibre optique. L'amplificateur à fibre dopée erbium (EDFA) s'est imposé comme la référence pour régénérer le signal dans les transmissions longue distance. Bien que son utilisation se soit généralisée, des questions restent sans réponse comme par exemple l'origine des pertes de rendement et la limitation du gain dans la bande spectrale longue L (1570 -1610 nm). En effet, d'une part, il a été remarqué que l'augmentation de concentration n'entraîne pas la même variation de gain, limitant le développement d'amplificateurs courts ; d'autre part, la bande L est limitée du coté des grandes longueurs. Nous avons expliqué l'origine du premier problème par le phénomène d'Addition de Photons par Transfert d'Energie (APTE). En étudiant le comportement des déclins de fluorescence en fonction de la puissance d'excitation, nous avons pu mettre en évidence et quantifier l'APTE homogène, entre ions erbium statistiquement distribués. Cela a permis de classer les matrices entre elles et d'expliquer une partie de la baisse de rendement. Les expériences d'absorption non saturable nous ont permis de quantifier à la fois l'APTE inhomogène (distribution inhomogène des ions dopants suggérant la présence de paires) et l'APTE homogène. La perte de rendement liée à la concentration a ainsi pu être totalement expliquée par ces deux phénomènes. Enfin, les expériences d'absorption et d'excitation dans l'état excité (ESA et EEE) ont permis d'expliciter les causes de la limitation spectrale de la bande L suivant les matrices. Une étude théorique basée sur une détermination des niveaux Stark des niveaux 4I15/2, 4I13/2 et 4I9/2 a confirmé les résultats obtenus expérimentalement
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Ce memoire presente des resultats theoriques et experimentaux sur les interactions entre atomes et lumiere laser dans les horloges atomiques a pompage optique. On presente tout d'abord l'affinement spectral de lasers a semiconducteurs par la technique de la cavite etendue. Deux types de couplage, faible et fort, sont testes et compares. La conception de structures performantes est presentee, en mettant en evidence les elements critiques de ces lasers, et une methode d'auto-alignement est mise en uvre pour reduire la sensibilite des ces lasers aux perturbations exterieures. Ensuite, les interactions atomes/lumiere sont decrites par le formalisme de la matrice densite, en prenant en compte le bruit de frequence et la modulation du laser. Cette partie developpe plus particulierement l'analyse du pompage optique. L'efficacite du pompage d'un jet atomique est evaluee selon les parametres caracteristiques de l'interaction. On montre que le flux atomique presente, a pompage incomplet, des fluctuations sur-poissonniennes dues au bruit de frequence du laser. Enfin, en derniere partie, une evaluation experimentale de l'influence des parametres des lasers sur les signaux d'horloge est menee. Les roles des lasers de pompage et de detection sont etudies separement. L'extra-bruit de detection des atomes non-pompes est mesure dans diverses configurations. Des lasers de largeurs de raie differentes sont compares en zone de pompage. L'influence de l'efficacite du pompage sur le rapport signal-a-bruit du signal d'horloge est determinee experimentalement dans une configuration de frange brillante.