Évaluation du bruit de fond

Par définition, le bruit de fond est totalement indépendant du signal optique reçu sur le détecteur mais dépend des appareils présents le long de la chaine de détection. Il se mesure directement sans signal optique sur le détecteur. Il se décompose en un bruit intrinsèque, généré par le dispositif lui-même, et d’un bruit externe, capté par le dispositif dont l’origine n’est pas clairement identifiée. En télécommunication optique, le bruit de fond inclut le bruit thermique25 _{et le bruit en excès de la chaine de détection.}

La densité spectrale de puissance du bruit thermique est donnée par la relation :

𝑆fÙ = 4𝑘>𝑇𝐵 4-9

où 𝑘_> = 1,3806 10dO~ _{𝐽/𝐾 représente la constante de Boltzmann, 𝑇 la température absolue en Kelvin et} 𝐵 la bande passante de détection considérée.

Cette formule permet de prévoir le bruit minimum présent sur le système de mesure et donc sa limite de détection.

Le bruit en excès est lié aux composants électroniques (photodiode, amplificateur, analyseur de spectre électrique) utilisés dans le système de mesure. Généralement appelé, bruit de scintillement ou bruit en 1/𝑓 ou flicker noise, le bruit en excès est la conséquence de plusieurs processus aléatoires [149], [150] (fluctuations du nombre de porteurs [151], fluctuations de la mobilité des porteurs [152]–[154]) et est dû à la présence

25 Le bruit thermique, également nommé bruit de résistance, ou bruit de Johnson ou bruit de Johnson-Nyquist est le bruit généré par l’agitation thermique des porteurs de charges, c’est-à-dire des électrons dans une résistance électrique en équilibre thermique. Plus la température est élevée, plus les électrons sont agités et plus le bruit thermique augmente.

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d’impuretés et de défauts de la structure lors de la fabrication des composants électroniques. Il peut devenir gênant pour des fréquences inférieures à quelques kHz.

La densité spectrale du bruit de fond détermine la sensibilité du banc de mesure. Pour être mesurable, la densité spectrale du bruit de grenaille ou d’intensité du laser ne doit pas être masquée par le bruit de fond. Le bruit de fond est encore appelé bruit «Plancher ».

4-3 : DSP du bruit de fond de la chaîne de détection

La densité spectrale du bruit de fond 𝑆_>Ù obtenue sans éclairer la photodiode est représentée sur la figure 4-3. On remarque :

• Une contribution en 1/𝑓 dans les basses fréquences (< 10 kHz) ;

Entre 100 Hz et 1 kHz, des fréquences multiples du 50 Hz de la prise électrique sont observables. L’amplitude de ces harmoniques est d’autant plus élevée que le gain de l’amplificateur trans- impédance utilisé est élevé.

• Un plateau entre 10 kHz et 10 Mhz ;

Cette partie du spectre est principalement affectée par l’analyseur de spectre électrique utilisé. Quelques pics sont observables autour de la centaine de kHz.

• Une remontée du bruit au-delà de 10 MHz due à l’amplificateur trans-impédance utilisé qui offre une bande-passante de 14 MHz.

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4.1.2

Évaluation du bruit de grenaille

Contrairement au bruit de fond, le bruit de grenaille26 _{est une fonction du photo-courant généré. La densité}

spectrale de bruit de grenaille varie linéairement avec la puissance optique détectée dans la région linéaire du détecteur. Si 𝐻(𝑓) est la fonction de transfert de la chaine de détection, alors la densité spectrale de puissance du bruit de grenaille s’écrit :

𝑆xÙ = |𝐻(𝑓)|O 2𝑞𝑍𝐼 4-10

où 𝑞 (= 1,602. 10dD, _{𝐶) est la charge électronique, 𝑍 la résistance de charge du détecteur et 𝐼 le photo-} courant moyen.

Pour évaluer le bruit de grenaille de notre système de mesure, il faut utiliser une source de référence ayant un bruit d’intensité relatif négligeable (devant le bruit de grenaille). Les sources de lumière blanche sont des bons candidats pour cette mesure, ou alors des sources cohérentes tels les lasers à fibres DFB dans la bande au- dessus de 10 MHz. En effet, la densité spectrale de puissance du photo-courant produit par un détecteur éclairé par une source thermique non-polarisée [155] peut s’écrire :

𝑆_Gx = |𝐻(𝑓)|O _{·2𝑞𝑍𝐼 +}𝑍𝐼O

∆𝜈¸ 4-11

4-4 : Spectre de puissance de la source « Anritsu MG922A White Light Source »

26 Le bruit de grenaille, également nommé bruit de Schottky ou bruit quantique est un bruit électronique causé par le fait que le courant électrique n’est pas continu mais constitué de porteurs de charge élémentaires.

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Donc pour une source blanche de large bande ∆𝜈 et pour un faible photo-courant moyen 𝐼, le bruit d’intensité relatif de la source (le deuxième terme du membre de droite de la relation 4-11) peut être négligée devant le bruit de grenaille (le premier terme du membre de droite de la relation 4-11).

Pour nos mesures, nous utilisons une source de lumière blanche à halogène « Anritsu MG922A White Light Source » émettant entre 400 nm et 1600 nm avec une puissance de -60 dBm (figure 4-4).

Pour s’assurer que la densité spectrale de puissance mesurée correspond effectivement à celle du bruit de grenaille, nous vérifions la linéarité des mesures avec le photo-courant. Si le bruit d’intensité relatif n’est pas négligeable, on aura un comportement non-linéaire. Pour s’en rendre compte, on trace les courbes des densités spectrales de puissance normalisées au photo-courant 𝐼. Comme nous pouvons le voir sur la figure 4-5, toutes les courbes sont constantes et se confondent parfaitement dans la bande 1 kHz – 10 MHz. Le bruit de grenaille normalisé peut être approximé à la valeur 𝑆_xÙÙyƒ? _{≈ −99 𝑑𝐵𝑚/𝐻𝑧/𝐴 sur toute la bande de} mesure. Les pics qui apparaissent entre 100 Hz et 1 kHz sont caractéristiques du laser de référence.

4-5 : DSP du bruit de grenaille normalisé par le photo-courant I

Quantitativement, la densité spectrale de puissance du bruit de grenaille normalisée par le photo-courant 𝐼 est donnée par la relation :

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