5.3 Technique de mesure différentielle
5.3.1 Banc de mesure
La gure 5.8 représente le schéma de l'expérience de mesure de RIN utilisé pour des
mesures précises du bruit d'amplitude.
Ampli RF ASE Ampèremètre Laser Détection Synchrone Atténuateur optique DC Block
FIG. 5.8 Principe de la mesure précise du RIN
Les différents appareils ainsi que leur rôle seront discutés par la suite. En comparaison par rapport au schéma 5.1 correspondant à une mesure plus classique, plusieurs instru- ments ont été introduits. Un atténuateur optique ainsi qu'un hacheur ont été placés avant la détection. Contrairement à l'expérience décrite dans la précédente partie où l'analyseur de spectre électrique fournissait les mesures à partir desquelles la valeur du RINétait dé-
duite, il n'est plus ici qu'un instrument intermédiaire.
Rôle de l'atténuateur optique
Nous allons par ce banc de caractérisation étudier l'évolution de la densité spectrale de puissance de bruit du signal électrique fournit après détection d'un signal laser en fonction
de la puissance optique reçue. Nous allons donc devoir étudier des courbes comme celles présentées sur le schéma 5.7.
La modication du pompage d'un laser modie certes la puissance, mais aussi sa fré- quence de relaxation, la densité de photons à l'intérieur de la cavité, et introduit des mo- dications thermiques...Toutes ces perturbations aboutissent à une modication du bruit d'amplitude du laser. An d'étudier le RINd'une source laser quelconque, il est indispen-
sable de la stabiliser à un point de fonctionnement. Le seul moyen restant pour modier la puissance optique incidente sur le détecteur sans modication de la valeur du RIN est
de travailler sur le faisceau laser en dehors de la cavité.
Nous avons opté pour l'utilisation d'un atténuateur optique programmable. Il permet d'une part de connaître la puissance à sa sortie, ce qui permet d'éviter d'envoyer trop de puissance sur le détecteur qui saturerait le cas échéant. La possibilité qu'il offre de couper le ux grâce à un obturateur permet de modier le montage (pour changer de détecteur par exemple) sans devoir éteindre le laser ce qui imposerait un temps de chauffe néces- saire avant de pouvoir reprendre les mesures. Enn, il présente l'avantage de pouvoir automatiser la mesure. Nous verrons plus tard que des mesures manuelles peuvent être très fastidieuses. L'automatisation permet aussi à n'importe quel utilisateur de pouvoir réaliser une mesure du bruit d'amplitude sans avoir à se soucier des détails de la mesure comme le réglage des instruments.
L'analyseur de spectre électrique
Dans la mesure classique, le densité spectrale de puissance était directement relevée à partir des mesures sur l'analyseur de spectre électrique. Une première mesure était néces- saire an de déterminer la contribution du bruit thermique tandis que la seconde corres- pondait à un relevé de l'ensemble des trois bruits : thermique, de grenaille et d'amplitude. La présence ici d'un hacheur optique permet de mesurer alternativement le bruit ther- mique et la somme linéaire des trois bruits. An de réaliser une mesure compatible avec le hacheur, le déclenchement de la mesure est coordonné avec le signal issu du hacheur. L'analyseur de spectre n'est pas utilisé ici pour relever les puissances électriques en fonc- tion de la fréquence mais est utilisé comme un ltre électronique accordable. Il est possible en effet de le régler de façon à observer la puissance électrique à une fréquence dénie. La connaissance de la largeur du ltre utilisé permet d'en déduire la densité spectrale de puissance associée.
La présence du chopper permet d'observer des signaux dont un exemple est donné sur la gure 5.9.
Lorsque le chopper empêche le ux optique d'atteindre le détecteur, le niveau de bruit est alors au minimum et est égal au bruit thermique seul (1). Quand le signal laser est détecté on mesure alors la somme des trois bruits (2). Le bruit thermique étant le même pour le signal de référence et le signal produit par le laser à caractériser, nous allons doré-
0 5 10 15 20 25 30 -155 -150 -145 -140 -135 -130 -125 αααα (1) (2) D S P (d B m /H z) Temps (ms)
FIG. 5.9 Trace temporelle du signal sur l'ASE après hachage optique
navant nous intéresser seulement à l'écart entre les deux signaux visibles alternativement. On notera α l'écart en dB entre eux. Cette technique permet des mesures un peu plus pré- cises, car il est plus "facile" de mesurer des écarts en puissance relativement faible que de mesurer des puissances absolues.
On a donc en utilisant les notations précédentes pour les densités spectrales de bruit :
α= (NBth+Nsn+NRIN)|dB−NBth|dB (5.13)
Nous utiliserons ici la dénition optique de la puissance logarithmique. Les paramètres qui seront introduits par la suite ne sont que des paramètres intermédiaires.
On introduit alors le facteur γ représentant l'écart entre les seuls bruits "optiques" (shot noise + bruit d'amplitude) et le bruit thermique.
γ= (Nsn+NRIN)|dB−NBth|dB (5.14)
Les relations 5.13 et 5.14 donnent directement la relation entre γ et α :
γ=10log1010
α
10 −1 (5.15)
La mesure de l'amplitude ces créneaux, connaissant la valeur du bruit thermique, per- met donc de remonter directement à la valeur de la puissance des bruits optiques. Or le bruit thermique étant identique pour le laser de référence que pour celui à caractériser, la connaissance des écarts respectifs permet donc de déduire l'écart en puissance entre la référence et le laser étudié.
En utilisant les relations 5.11 et 5.14, on obtient le lien entre le RIN et les paramètres
γlaser mesurés sur le laser et γre f sur la référence :
RIN=10log10 2q I 10γlaser10−γre f −1 (5.16)
En considérant l'égalité du bruit thermique pour les deux lasers mesurés, il ne devient plus nécessaire d'effectuer sa mesure. Seule la mesure de l'écart au bruit thermique γ suft.
La détection synchrone
L'analyseur de spectre permet donc de ltrer le signal électrique autour d'une fré- quence donnée an de pouvoir mesurer l'écart du signal par rapport au bruit thermique. La première idée consiste à simplement relever l'amplitude des créneaux visibles à l'ana- lyseur de spectre électrique. On peut voir par rapport au relevé représenté sur la gure 5.9 qu'il peut devenir assez difcile de réaliser une mesure able et précise pour des écarts de l'ordre de quelques décibels.
An de réduire le seuil minimal de détection et aussi de la détermination très subjective de l'écart entre les deux niveaux par un utilisateur travaillant sur l'analyseur de spectre électrique, un système de détection synchrone à été introduit.
Le principe de fonctionnement est relativement simple. La détection synchrone permet de connaître l'amplitude d'un signal électrique connaissant sa fréquence. Ainsi, même noyé dans un bruit, il est possible en éliminant les fréquences indésirables d'en sortir les informations principales telles que l'amplitude, la phase3etc.
Étalonnage de la détection synchrone
En sortie de détection synchrone, on dispose donc d'une tension Vds proportionnelle
à l'amplitude des créneaux afchés sur l'analyseur de spectre électrique. Il ne reste plus qu'à étalonner cette tension an d'avoir la relation entre le coefcient α et la tension Vds. Pour cela, nous avons utilisé un générateur de signal électrique permettant d'avoir des créneaux de fortes amplitudes et tracé la caractéristique Vds= f(α). Le montage utilisé est
représenté sur le schéma 5.10.
Atténuateur électrique Générateur RF Générateur BF Analyseur de
spectre synchroneDétection
FIG. 5.10 Schéma d'étalonnage de la détection synchrone
Le générateur basse fréquence créé un signal à 500 Hz permettant de moduler le signal
0 20 40 60 80 100 0 5 10 15 20 αααα (d B ) Vds (mV) FIG. 5.11 Etalonnage de la détection synchrone 0 20 40 60 80 100 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 αααα - 1 85 x V ds Vds
FIG. 5.12 Erreur sur alpha
à hautes fréquences (1 GHz) fourni par le générateur RF. La puissance du signal électrique varie grâce à l'utilisation d'atténuateurs. On s'assure ainsi de ne pas perturber le fonction- nement de la source électronique. On relève ensuite l'amplitude α des créneaux, que l'on compare à la tension Vdsrelevée sur la détection synchrone, présentée sur la gure 5.11.
On obtient un facteur de proportionnalité de 185 dB.V−1par la méthode des moindres
carrés. An de mieux apprécier l'estimation ce facteur, la différence entre la mesure de α et 185∗Vds a aussi été tracée sur la gure 5.12.
On peut donc, en utilisant les relations 5.15, 5.16 déterminer le RINà partir des mesures
de Vdssur la détection synchrone, après avoir utilisé la relation :
Vds =185α (5.17)
La tension mesurée nous permet de mesurer avec précision des écarts γ entre les bruits optiques et le bruit thermique aussi faible que -20 dB. Cela signie qu'on est capable de détecter des niveaux 100 fois inférieurs à celui du bruit thermique. Cela peut aussi se traduire de la façon suivante en utilisant la relation 5.15 : la détection synchrone permet de mesurer des écarts inférieurs à 0.05 dB par rapport au bruit thermique.