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Largeur de raie étroite Isolation optique Stabilisation en longueur d’onde
Détection Optique & Communication Optique

Stabilisation en longueur d’onde de filtres optiques à réseau de Bragg sur fibre: enveloppe athermique ou contrôle en température?

Le 25 avr. 2022

Catégorie : Détection Optique & Communication Optique

Par : Patrice Dionne

Les réseaux de Bragg sur fibre permettent d’obtenir différents profils de réflectivité en longueur d’onde qui dépendent du patron de sauts d’indices qui est inscrit dans la fibre. En s’appuyant sur des modèles de simulations éprouvés et des procédés d’écriture de qualité, il est possible de concevoir des filtres optiques fibrés très étroits qui présentent une forme spectrale unique. Outre une bande passante (BP) qui peut être aussi étroite que 2 GHz ou 50 MHz selon le type de filtre, l’écriture de réseaux de Bragg permet de produire des filtres avec les qualités suivantes:

  • Bande à sommet plat
  • Pentes abruptes
  • Haute isolation optique hors bande

Figure 1 : Exemples de spectres de filtres étroits à haute précision de TeraXion

Figure 1 : Exemples de spectres de filtres étroits à haute précision de TeraXion

a) Réseau de Bragg TeraXion typique pour fonction de filtre en réflexion à 10 GHz de BP (largeur à mi-hauteur) et qui combine un sommet plat, des pentes abruptes et une haute isolation optique (jusqu’à 45-50 dB de moyenne hors bande). TeraXion conçoit des filtres en réflexion aussi étroits que 2 GHz.

b) Réseau de Bragg à spectre ultra-étroit utilisé en transmission. En tirant profit d’un effet de saut de phase, il est possible d’obtenir une raie étroite au centre d’une bande de réflexion large. On obtient ainsi une BP en transmission qui peut être ajustée entre 50 et 500 MHz et une bande de rejet (BR) entre 40 et 100 GHz selon la conception (200 MHz BP – 100 GHz RB sur la figure).

Une des limites associées à l’utilisation de filtres étroits est la dépendance en température de leur longueur d’onde centrale. Un filtre Bragg typique dans la bande C (i.e. autour de 1550 nm) dérive naturellement d’environ 10 pm/°C (1.25 GHz/°C), ce qui peut être contraignant selon l’application et l’environnement d’opération.

Pour contrer cette dérive, il est possible d’encapsuler le réseau dans une enveloppe mécanique qui compense la dilatation thermique de la fibre par l’application d’une contrainte de compression. Une autre option consiste à stabiliser le filtre en température à l’aide d’éléments chauffants ou refroidissants asservis à l’aide d’une boucle de rétroaction. Ce dernier système permet aussi d’accorder le filtre en longueur d’onde en ajustant la température de stabilisation.

TeraXion s’appuie sur plus de 20 ans d’expérience en tant que fournisseur de réseaux de Bragg sur fibre à haute valeur ajoutée. La compagnie a développé un savoir-faire unique pour l’utilisation d’enveloppes athermiques et le contrôle en température de ses filtres à fibre optique. Les sections qui suivent comparent ces deux approches et présentent des exemples d’applications pour chaque solution.

Filtre athermique

Filtre Optique Teraxion

L’enveloppe athermique est une solution passive qui permet réduire la dérive thermique du réseau de Bragg à moins de 0.5 pm/°C. Ce gain d’un facteur 20 en stabilité offre une plus grande marge de manœuvre pour maintenir l’alignement d’un filtre de quelques GHz de bande passante (BP) sur le signal d’intérêt, garantissant ainsi l’opération optimale du filtre pour l’ensemble des conditions d’opération d’équipements utilisés dans des environnements non contrôlés.  

Figure 2 : Courbe de dérive thermique d’un filtre à réseau de Bragg muni d’une enveloppe athermique

Figure 2 : Courbe de dérive thermique d’un filtre à réseau de Bragg muni d’une enveloppe athermique.

L’utilisation de filtres athermiques est répandue dans les systèmes de détection distribuée par fibre optique (DDFP). Plusieurs manufacturiers de systèmes DDFP voient un avantage à intégrer des filtres aussi étroits que 5 à 15 GHz de BP dans leur appareil de détection. On les retrouve dans les systèmes de détection distribuée acoustiques (DDA) basés sur l’effet Rayleigh ainsi que dans les systèmes de détection distribuée de température et de tension (DDTT) basés sur l’effet Brillouin.

Un autre exemple d’application pour le filtre athermique est le suivi d’intégrité de réseaux de communications par fibre optique longue distance. On en retrouve aussi dans les systèmes de communication quantique, notamment pour la distribution de clé d’encryptage.

Le filtre assure principalement les fonctions suivantes :

  • Filtrer le bruit d’émission spontanée d’amplification (ESA)
  • Isoler le signal Brillouin du faisceau excitateur rétrodiffusé dans les interrogateurs DDTT
  • Supprimer les fuites Raman issues des canaux voisins dans un canal d’intérêt (par exemple, le canal réservé pour la distribution de clés quantiques ou pour le suivi d’intégrité du réseau)

Dans les exemples d’application cités ci-haut, la tolérance de fabrication typique de ± 50 pm sur la longueur d’onde centrale du réseau de Bragg est rarement problématique puisque les lasers utilisés comme source excitatrice (ou source de communication) peuvent être légèrement ajustés en longueur d’onde. Il est ainsi possible d’aligner la source pour s’ajuster aux composants passifs de la chaîne de détection. La recommandation d’utiliser un filtre athermique dépend ainsi de l’architecture système et du type de source utilisé.

Au niveau de l’application, l’utilisation d’un filtre très étroit, à sommet plat, à pentes abruptes et à haute isolation permet de maximiser le rapport signal sur bruit, ce qui se traduit par une augmentation de la portée de détection.

La flexibilité de conception des réseaux de Bragg permet aussi de spécifier au GHz près la BP qui représente le meilleur compromis entre la performance et la tolérance à l’alignement du filtre. On bénéficie ainsi d’un filtre passif haute performance adapté à ses besoins.

Il est à noter que le maintien d’une tolérance minimale sur la longueur d’onde centrale lors de la pose d’une enveloppe athermique représente un défi considérable. Une connaissance et un contrôle serré des procédés sont requis pour maintenir une haute précision à l’intérieur d’un lot de filtres. TeraXion parvient à maintenir cette tolérance à l’intérieur de ± 50 pm pour ses réseaux inscrits sur de la fibre standard (fibre SMF). Cette tolérance est ajustée à ± 150 pm pour la fibre avec maintien de polarisation (fibre PM).

Filtre accordable contrôlé en température (TFN)

TFN R

La méthode la plus efficace pour stabiliser un filtre optique à réseau de Bragg est de contrôler sa température. L’ajustement de la température de stabilisation permet également d’accorder le filtre en longueur d’onde. Il est ainsi possible d’assurer un alignement optimal du filtre sur un signal d’intérêt ou une chaîne de détection fixe. On peut aussi isoler différents signaux successivement avec un seul filtre.

TeraXion offre un filtre optique accordable (TFN) à 2 pm de résolution et ± 30 GHz de plage d’accord. Ce produit est répandu dans les applications de communications optiques radio fréquence et les systèmes de détection optique où l’accord en longueur d’onde apporte une plus-value : par exemple, lorsque l’on cherche à interroger différents canaux/signaux rapprochés de quelques GHz ou lorsque la source excitatrice est asservie sur une référence en fréquence.

En général, le TFN est très bien adapté aux architectures systèmes tirant profit de modulateurs électro-optiques (MEO) ou d’effets non linéaires pour générer différentes tonalités en fréquence. Le TFN permet ainsi de sélectionner une tonalité d’intérêt ou d’isoler une bande latérale de la porteuse, selon le besoin.

L’approche de contrôle en température permet aussi de combiner deux réseaux de Bragg dans la même plateforme accordable pour atteindre une plus grande isolation optique. TeraXion fabrique par exemple des TFN à plus de 50 dB d’isolation optique (figure 3). L’intégration d’un circulateur 4 ports se fait à même le boitier et n’affecte pas la taille du produit.   

Figure 3 : Spectre d’isolation optique en réflexion pour un TFN double à 16 GHz de bande passante (BP)

Figure 3 : Spectre d’isolation optique en réflexion pour un TFN double à 16 GHz de bande passante (BP)

Finalement, due à l’extrême étroitesse de leur bande de transmission, les filtres à saut de phase (figure 1b) sont souvent intégrés dans la plateforme accordable pour assurer un alignement optimal de la bande.

Tableau comparatif des solutions de stabilisation/contrôle TeraXion pour les filtres à réseau de Bragg
Paramètre Athermique Athermique Contrôlé en température
Interface de contrôle NA, filtre passif Logiciel (I2C)
Longueur d’onde centrale De 800 nm à 2000 nm De 800 nm à 2000 nm
Bande passante minimale (filtre en réflexion) 2 GHz 2 GHz
Bande passante minimale (configuration ultra-étroite) 50 MHz 50 MHz
Dérive thermique < 0.5 pm/°C NA
Accord en fréquence NA ± 30 GHz
Exactitude de la longueur d’onde centrale Fibre SMF: ± 50 pm / Fibre PM : ± 150 pm 2 pm de résolution
Dimensions Option courte: 4.8 x 75 mm / Option longue: 6.3 x 195 mm R: 130 x 22 x 14 mm / R+T: 150 x 54 x 19.5 mm
Conclusion

L’écriture de réseaux de Bragg sur fibre permet de concevoir des filtres optiques très étroits, à sommets plats, à pentes abruptes et à haute isolation. À cause de sa bande étroite, il est impératif de limiter la dérive en longueur d’onde du filtre afin d’assurer son alignement sur le signal d’intérêt. TeraXion offre deux solutions pour l’utilisation de filtre optiques étroits dans les applications de détection et de communication optique: l’enveloppe athermique et le filtre contrôlé en température (TFN).

 Voici les requis et avantages principaux qui favorisent le choix de la solution athermique :

  • Requis de filtrage optique haute performance pour un signal spécifique;
  • Préférence pour l’utilisation d’un filtre passif plus compact, qui ne consomme pas d’énergie électrique et qui est insensible aux interférences électromagnétiques;
  • Optimisation de coût;
  • Possibilité d’ajuster la source lumineuse en longueur d’onde pour s’adapter à la tolérance de fabrication des réseaux de Bragg ainsi qu’aux faibles dérives thermiques qui persistent après la pose de l’enveloppe athermique (< 0.5 pm/°C).

Par son accordabilité, le TFN ajoute une flexibilité au niveau de l’alignement du filtre sur un ou plusieurs canaux (± 30 GHz d’excursion avec 2 pm de résolution). Il est recommandé lorsque :

  • L’application requiert de sélectionner ou interroger de manière dynamique différents signaux rapprochés;
  • L’architecture système n’offre pas de degré de liberté sur l’alignement de la source excitatrice (en détection optique) ou le signal de communication;
  • Un alignement optimal du filtre offre un gain substantiel des performances système;
  • L’application requiert une haute isolation optique atteignable par la combinaison de deux réseaux de Bragg (>50 dB);
  • L’application requiert l’utilisation de réseaux de Bragg à saut de phase avec une bande de transmission ultra-étroite (de 50 MHz jusqu’à 500 MHz de BP).

TeraXion commercialise des réseaux de Bragg sur fibre à haute valeur ajoutée depuis plus de 20 ans. La compagnie se distingue par la qualité, la stabilité et la fiabilité de ses produits. Elle suit un processus rigoureux de définition et d’atteinte des requis techniques basé sur un savoir-faire unique. 

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