Contributions à l'étude théorique des bruits quantiques et classiques dans les amplificateurs Raman distribués

Contributions to the theoretical study of the quantum and classical noises in the distributed Raman amplifiers

• Auteur / Autrice : Shifeng Jiang
• Direction : Philippe Gallion
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique et communications
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris, ENST

Mots clés

Mots clés contrôlés

Raman, Effet

Amplificateurs

Télécommunications optiques

Résumé

Les amplificateurs Raman à fibres optiques apparaissent aujourd’hui comme une solution très prometteuse pour augmenter la capacité de transmission des réseaux optiques WDM longues distances et hauts débits. Afin de dégager les caractéristiques de ce type d’amplificateurs optiques, ce travail de thèse propose une étude théorique approfondie permettant de comprendre et modéliser les processus de génération de bruit dans les amplificateurs Raman à fibre optiques, et analyser les performances en terme de qualité de transmission. Nous avons tout d’abord établi un modèle quantifié pour l’amplification Raman dans les fibres optiques, à partir d’une étude sur la description quantique de l’optique nonlinéaire macroscopique. Nous avons ensuite reformulé, d’une manière générale, les propriétés quantiques du champ optique, les limites quantiques des dispositifs optiques linéaires et insensibles à la phase, les statistiques quantiques du photocourrant, et les différentes définitions du facteur de bruit pour les dispositifs amplificateurs. Puis, nous avons caractérisé le gain et le facteur de bruit des amplificateurs Raman, permettant de comparer les performances de bruit intrinsèque en fonction de la configuration de pompage choisie. En complément au bruit quantique intrinsèque, nous avons aussi étudié, en établissant et simulant des models stochastiques et vectoriels, deux autres sources de bruit classique importantes dans les amplificateurs Raman, qui sont la rétrodiffusion Rayleigh et le transfert de bruit de la pompe vers le signal. Et les impacts sur les performances des systèmes de ces bruits supplémentaires ont été finalement analysés.

The fibre Raman amplifiers appear today as a very promising solution to increase transmission capacity of the long-distance and high-speed WDM optical networks. In order to give out the characteristics of this kind of optical amplifiers, this thesis work provides a thorough theoretical study for understanding and modeling the noise generating process of Raman fiber amplifiers, and analyzing the performance in terms of transmission quality. We have first established a quantum model for fiber Raman amplification, based on a study on the quantum description of the macroscopic nonlinear optics. We then reformulated, with a general manner, the quantum properties of optical fields, the quantum limit of linear and phase-insensitive optical devices, the quantum statistics of photocurrent, and different definitions of noise figure for optical amplifiers. Then, we characterized the gain and noise figure of Raman amplifiers, allowing the comparison of the intrinsic noise performance in function of the pumping configuration. In addition to the intrinsic quantum noise, we also studied two other sources of noise classical important in Raman amplifiers, which are the Rayleigh backscatter and the transfer of noise from the pump to signal, by establishing and simulating stochastic vector models. And finally, the impacts of these noises on system performance were analyzed.