4.3 Le bruit électronique post-détection
4.3.2 Le bruit suite à une amplication
Chaque fois qu'un amplicateur est utilisé, il va amplier le signal mais aussi le bruit en entrée, ne faisant pas la différence, et va y ajouter son propre bruit thermique. Le bruit en sortie sera donc plus important que la simple augmentation du bruit en entrée due au gain de la structure. Il est assez facile de caractériser la dégradation du signal. Pour cela on utilise le rapport signal à bruit et on observe son évolution à travers les différents étages d'amplication.
Soit Sin le signal en entrée du système et Nin le bruit. Soit Gi les gains des différents
étages amplicateurs. En sortie du premier amplicateur, le signal Sin est amplié de la
valeur du gain G1, tout comme le bruit Nin. A ce terme de bruit d'ajoute le bruit de l'am-
plicateur. Sans ce dernier terme, le rapport signal à bruit en sortie serait égal à celui en entrée. On dénit alors le facteur de bruit Fi d'un amplicateur comme étant le rapport
des deux : Fi = Sin Nin Sout Nout (4.9) Fi est donc supérieur ou égal (dans le cas idéal) à 1. On obtient alors assez facilement le
bruit en sortie par rapport à celui en entrée :
On peut encore écrire que l'amplicateur ajoute le bruit(Fi−1)GiNin.
Au terme d'une chaîne de n amplications par exemple, on obtient l'expression sui- vante pour le facteur de bruit de l'ensemble de la chaîne :
F =F1+ F2−1 G1 + F3−1 G1G2 +..+ Fn−1 G1G2..Gn−1 (4.11)
Le facteur de bruit de la chaîne d'amplication dépendra donc principalement du facteur de bruit du premier amplicateur, les facteurs de bruit des suivants étant divisés par le gain des amplicateurs des précédents.
Pour ne pas dégrader le signal de façon trop importante, il est donc indispensable de bien choisir le premier amplicateur. Il est généralement appelé préamplicateur, car son rôle est double : amplier mais surtout éviter la dégradation du rapport signal à bruit. On le choisira donc davantage en fonction de son facteur de bruit que de son gain.
Conclusion
Ce chapitre a permis de mieux discerner les propriétés des détecteurs et des ampli- cateurs, en particulier vis à vis des différents termes de bruit. L'expérience de mesure de bruit d'amplitude consiste à mesurer des uctuations très faibles des la puissance optique. Ce que nous considérerons comme signal est en effet le bruit d'amplitude optique et donc est par dénition très faible. Pour donner un exemple un RINde 100 dB.Hz−1qui est déjà
une valeur élevé correspond à une variation de l'ordre de 0.001 % de la puissance optique. La puissance optique est transformée en courant électrique auquel vont se rajouter les différents bruits thermiques et le bruit de grenaille. Il est donc indispensable de bien dimensionner le détecteur formé de la photodiode et des étages d'amplication.
La photodiode sera choisie de façon à permettre l'étude du bruit d'amplitude sur une gamme de fréquences adaptées aux composants étudiés à savoir les lasers. Nous avons vu dans la partie modélisation que la fréquence de relaxation d'un laser est proche de celle où le bruit d'amplitude est maximum. Or si cette fréquence ne dépasse pas le Mégahertz dans le cadre de lasers solides, elle dépasse allègrement le Gigahertz pour les lasers àh semi-conducteurs, même pour de faibles taux de pompage.
L'inconvénient de prendre un système de détection à très large bande est de devoir prendre des amplicateurs ayant des facteurs de bruit plus importants que ceux néces- saires pour des bandes plus étroites.
Dans un premier temps, nous avons utilisé une photodiode PINde 2,5 GHz de bande
passante associée à un amplicateur de bande passante 100 KHz - 3 GHz. La diode possède un courant maximum de 2 mA ce qui permet de travailler avec des signaux de quelques milliwatt mais guère plus. Nous verrons par la suite quelle importance a la puissance maximale sur la qualité de la mesure. L'amplicateur dispose quant à lui d'un gain de 32 dB tout en conservant un rapport signal à bruit très faible (1,2). La platitude de la courbe de gain est inférieure à 1 dB sur l'ensemble de la page utilisable. L'ensemble de ces pro- priétés nous permet d'avoir un système d'amplication efcace sans une dégradation trop importante du signal étudié.
An de pouvoir augmenter la plage d'étude, notamment pour étudier les lasers à semi- conducteur, nous avons utilisé ensuite deux autres détecteurs, l'un permettant de travailler dans la bande 100 KHz-10 GHz et l'autre permettant de travailler jusqu'à 20 GHz. Ces deux derniers détecteurs sont conçus autour d'une photodiode PINà laquelle un préam-
plicateur est associé. Un second étage d'amplication différent pour les deux détecteurs complète le dispositif.
Banc de mesure
Le chapitre précédent nous a permis d'identier les principaux problèmes qui peuvent être rencontrés lors de la mesure de très faibles signaux. En effet, ceux-ci peuvent se trou- ver noyés dans le bruit thermique si les composants formant le système de détection sont mal choisis. Nous avons vu aussi la présence du bruit de grenaille lié à la génération de paires électron-trou au niveau de la diode de détection.
Dans le chapitre qui va suivre, nous allons dénir le bruit d'amplitude. Les différentes techniques pour le mesurer seront présentées. La technique améliorée développée au labo- ratoire sera détaillée. Enn, l'utilisation de ce banc de mesure de bruit d'amplitude pourra par la suite permettre aussi une étude du bruit de fréquence comme le montrera la dernière partie.
5.1 Le principe de mesure du bruit d'amplitude
Le bruit d'amplitude d'un laser représente les variations de la puissance optique de ce dernier. L'émission de la lumière par le processus laser dépend du mécanisme d'émission laser, dont le terme source est l'émission spontanée à l'intérieur même du milieu ampli- cateur. Ce processus de création des photons sources étant totalement aléatoire, il s'en suivra des répercutions sur le signal optique émis. Les propriétés du milieu amplicateur, l'amplication laser ainsi que la cavité optique vont modier la répartition spectrale de la puissance du bruit d'émission spontanée. Grâce à ces modications, la densité spectrale de puissance du bruit d'amplitude du signal optique possédera quelques caractéristiques qui permettront de remonter jusqu'à certaines propriétés du laser.