Les systèmes de télécommunications nécessitent toujours plus de débit depuis l’explosion de la bulle internet. L’amplification optique est une des techniques importantes permettant de toujours repousser la limite du compromis distance/débit bien connue dans ces systèmes. Depuis maintenant une quinzaine d’années, grâce à l’évolution des technologies de fabrication de lasers puissants, l’amplification optique par effet Raman devient une alternative intéressante aux autres systèmes d’amplification.

     Le schéma standard d’une liaison de télécommunications optiques est représenté sur la figure ci-dessous.

Liaison de télécommunications optiques standard.

     La lumière émise par le laser signal est modulée en amplitude pour coder le message à transmettre : pour un message numérique, ce codage est simplement une série d'allumages/ extinctions de la lumière laser pour représenter respectivement les 0 et les 1. Cette lumière modulée est injectée dans la fibre optique, et va ainsi pouvoir se propager jusqu'à la sortie de la fibre. En sortie, un photodétecteur traduit en signaux électriques le message émis.
     La fibre optique est constituée de silice (SiO₂). Si on étudie l'atténuation du signal d'entrée en fonction de la longueur d'onde du signal, on s'aperçoit qu'il existe un minimum d'atténuation à la longueur d'onde de λ_s = 1,55 μm, comme le montre la figure ci-dessous.

Atténuation dans la fibre de silice.

     Les concepteurs de systèmes de télécommunication optiques utilisent donc pour les transmissions la longueur d'onde de 1,55 μm afin de bénéficier de ce minimum d'atténuation. Il en résulte qu'en pratique, la distance moyenne que l'on peut parcourir grâce à une telle fibre sans système d'amplification est d'environ 150 km.
     Pour dépasser cette limite physique, la plupart des systèmes procèdent à une réamplification des signaux tous les 150 km. La technologie la plus déployée à ce jour passe par l'utilisation d'EDFA (Erbium Doped Fiber Amplfier). Cette technologie utilise l'amplification produite au sein d'une fibre optique spécifique, fabriquée sur la base de matériaux à terres rares, en général de l'erbium. L'amplification a lieu à l'intérieur de cette fibre à condition qu'elle soit stimulée par un autre laser (appelé "laser de pompe") dont la puissance est relativement élevée : l'énergie va être transférée, grâce à la fibre Erbium, de la longueur d'onde de pompe (usuellement à 980 nm) vers la longueur d'onde signal (toujours à 1,55 μm). Le phénomène nécessite en général une assez courte distance de fibre (typiquemment 20 m) en regard des centaines de kilomètres constituant la liaison.

     Une autre technique émergente permet, elle, d'obtenir une amplification optique dans de la fibre standard en silice, sans y introduire de dopant. C'est en effet la fibre de transmission elle-même qui va servir de milieu amplificateur. L'énergie du laser de pompe - cette fois-ci calé sur la longueur d'onde de 1,45 μm - est alors transférée vers le signal grâce à un effet optique non-linéaire appelé "effet Raman stimulé". Cet effet peut être provoqué, cette fois encore, sous l'influence du laser de pompe, mais sans que la fibre n'ait de caractéristique particulière. La distance moyenne obtenue à ce jour par amplification Raman sans interrompre la fibre pour réamplification est d'environ 500 km.

Liaison optique utilisant l'effet Raman.

   Le Raman stimulé

     C’est l’effet recherché pour l’amplification optique : sous l’impact des photons-signaux, la matière constituant la fibre par sa densité d'état de phonons, excitée par la présence de la pompe, va favoriser le changement de longueur d’onde des photons issus de la pompe, de par la mécanique de l’effet Raman stimulé. Ainsi, si l’on fait interagir via l’effet Raman un photon pompe et un photon signal, on obtient deux photons à la longueur d’onde signal.
     On a donc un phénomène de “duplication de photons” à la longueur d’onde signal, qui correspond à la notion amplification.