Les amplificateurs optiques sont une technologie utilisée pour amplifier les signaux lumineux, également appelés signaux optiques. Un amplificateur optique amplifie directement un signal optique, sans le convertir en une autre forme intermédiaire. Cela le distingue d’un autre type d’appareil, appelé régénérateur ou répéteur, qui amplifie un signal optique entrant en le convertissant en électricité, puis en générant un nouveau signal optique. La technologie des amplificateurs optiques amplifie les signaux optiques dans les dispositifs tels que les lasers et les câbles à fibres optiques et est importante pour des applications telles que les télécommunications.
La méthode d’amplification la plus courante, qui exploite le même phénomène utilisé dans les lasers à pompage optique, est l’émission stimulée. Chaque amplificateur optique utilisant cette méthode contient un support physique qui peut amplifier la lumière entrante, appelé support de gain. Lorsque le milieu de gain reçoit de l’énergie optique entrante, un processus appelé pompage du milieu de gain, les photons de lumière entrants sont absorbés temporairement et excitent certains des électrons du milieu à des niveaux d’énergie plus élevés. Ces électrons retombent ensuite rapidement à leur niveau d’origine. Lorsqu’ils le font, l’énergie qu’ils perdent est libérée sous forme de photons, amplifiant le signal d’origine. Si une amplification très élevée est nécessaire, plusieurs amplificateurs peuvent être enchaînés afin que le signal optique puisse traverser chacun d’eux en séquence.
De nombreuses substances différentes peuvent être utilisées comme support de gain dans un amplificateur optique, en fonction de la puissance optique, de la longueur d’onde et d’autres caractéristiques souhaitées pour un dispositif particulier. Le milieu de gain le plus courant pour les amplificateurs optiques est le dioxyde de silicium dopé avec de petites quantités d’éléments des terres rares tels que l’erbium et l’ytterbium. D’autres milieux de gain, tels que des semi-conducteurs ou des cristaux de grenat d’aluminium et d’yttrium, peuvent également être utilisés.
Un type d’amplificateur appelé amplificateur Raman amplifie les signaux optiques en exploitant un phénomène appelé diffusion Raman. Lorsque la lumière entrante entre en contact avec la matière, les photons qui ne sont pas absorbés sont diffusés dans différentes directions. La grande majorité d’entre eux conservent la même longueur d’onde et la même fréquence qu’auparavant. Un très petit pourcentage d’entre eux, qui ont échangé de l’énergie avec les particules de matière en raison de l’énergie vibratoire de ces particules, ne le font pas.
L’exploitation de cela pour l’amplification optique implique deux sources lumineuses, un laser de pompe à haute fréquence et une source lumineuse à basse fréquence et à longueur d’onde plus élevée provenant d’une fibre optique qui transporte réellement le signal. Le milieu de gain dans un amplificateur Raman est pompé avec une lumière haute fréquence provenant d’un laser de pompage, excitant les particules du milieu et augmentant leur énergie vibratoire pour stimuler la diffusion Raman. Lorsque les photons de longueur d’onde plus élevée du signal optique traversent le milieu, le signal gagne de l’énergie aux dépens du faisceau de pompage et est amplifié. Cette méthode est principalement utilisée dans la technologie des télécommunications pour amplifier les signaux longue distance envoyés via des câbles à fibres optiques.