2 Production d’états comprimés du rayonnement à l’aide de diodes laser 99
2.1.1 Photodiodes et amplificateurs
séparation
du faisceau : lame demi onde et cubepolariseur
- détection des
photons : photodiode
-
amplificateurs
dephotodiodes :
sortie continue et hautefréquence
- sommateur soustracteur
-
amplificateur (éventuellement)
2.1.1 Photodiodes et amplificateurs
A. Photodiodes
Les
photodiodes
doiventprésenter
deuxqualités principales:
Tout d’abord une excellente efficacité
quantique,
car tout défaut d’efficacitéquantique
produit
sur le bruit du faisceau mesuré les mêmesconséquences
que despertes optiques
quelconques:
il ramène le bruit vers le bruitquantique
standard et réduit de ce faitl’importance
de lacompression
mesurée. Il estpossible
d’améliorer l’efficacitéquantique
en retirant la fenêtre
qui protège généralement
la surfacephotosensible
et enplaçant
desmiroirs
qui
renvoient la lumière réfléchie par le détecteur sur lui même.De
plus
lesphotodiodes
doiventprésenter
une bonneréponse
enfréquence (faible
ca-pacité interne).
Desphotodiodes
de trèsgrande
surface seront donc moins bienadaptées
que des
photodiodes
de faible surfacesensible, puisque
lacapacité augmente
avec lace
qui
accélère letemps
de transit des électrons. Nous n’avons pas eu besoin de recourir à cestechniques
car la bandepassante
desphotodiodes
utilisées étaitcompatible
avec celle du reste dudispositif
de détection.Il
importe enfin qu’elles
conservent cesqualités
pour lesplus
fortespuissances
pos-sibles,
ce que l’on vérifie en mesurant laréponse
en continu et à diversesfréquences
dusignal qu’elles
délivrent pourplusieurs
intensités incidentes.Les
photodiodes
que nous avons utilisées sont des FND-100 de EG&G.(Nous
avonségalement
eu recours, pour des mesures à 1064 nm, à desphotodiodes
ETX 300-Td’Epi-taxx
1
,
que nous n’avonscependant
pas montées en détectionéquilibrée.)
Les FND-100 sont desphotodiodes
de trèslarge
bande(350 MHz),
de faiblecapacité
interne(8
à 10pF),
et dont la surfacephotosensible
est undisque
de diamètre 1 mm. Nous les avonspolarisées
en 75V. Elles se sont montrées très bienadaptées
aux mesures que nous avonsfaites sur le domaine
spectral
800-850 nm. Une fois retirée la fenêtreprotectrice
leurefficacité
quantique
est au moins de84%.
Un miroir de renvoipermet
d’obtenirjusqu’à
88%.
Le faisceau des diodes laser est un faisceau dont lasection,
circulaireaprès
que le faisceau a traversé deuxprismes anamorphoseurs
destinés à leconcentrer,
estlégèrement
plus grande
que la surfacephotosensible.
Deux inconvénientspeuvent
en résulter: d’unepart
une diminution d’efficacitéquantique peut
êtreobservée;
mais cette diminution eststrictement inférieure à
10%.
D’autrepart
les réflectionsparasites
de l’aile du faisceausur les bords des
photodiodes peuvent engendrer
un excès du bruit d’intensité mesuré. Parexemple,
lesphotodiodes
detype
ETX-300 utilisées pour les mesures surl’YVO4
présentent
unegéométrie
très différente de celle desFND-100, qui
favorise les réflexionsparasites
etimpose
une collimationsoigneuse
du faisceau sur la surface collectrice. Sur lesFND-100,
un telphénomène
n’ajamais
été observélorsque
les diodes fonctionnaientavec un bruit
proche
du bruitquantique standard,
et nous avons recouru à la focalisationuniquement lorsque
lerégime
defontionnement
étaitparticulièrement bruyant (diode
en1
Capacité
de l’ordre de 6 pF, efficacité quantiquesupérieure
à 90 % à 1064 nm, avec unepolarisation
cryostat notamment).
Un fort excès de bruit de la source étudiéepeut
en effetperturber
sensiblement la mesure s’il
s’accompagne
de réflexions ou dediffraction
au niveau desphotodétecteurs.
Cependant,
focaliser le faisceau accélère la saturation des détecteurs etgêne
l’ob-servation du bruit de la diode laser très au dessus du seuil. Telles que nous les avons
utilisées,
et encomptant
15 à30%
depertes optiques
entre la sortie du laser et lespho-todétecteurs,
nous pouvons observer sans avoir àfiltrer
lalumière,
le bruit d’intensité de faisceaux dont lapuissance
en sortie de la diode laser était de l’ordre de 70mW. C’est d’ailleurs unavantage
de la détectionéquilibrée
sur la détection directecalibrée,
que de diviser le faisceau en deux et d’étendre ainsi lerégime
de détection non saturée sur uneplage
depuissance
deux foisplus
étendue que celle de la détection directe calibrée. A cetégard,
sauf pour de très faiblespuissances (inférieures
à 1mW)
il faut seprémunir
contre lechauffage
desphotodiodes
sousl’effet
du faisceauincident, qui
modifie laréponse
de celles-ci. A cettefin,
il faut laisser lesphotodiodes
refroidir entrechaque
mesure.Enfin,
les deuxphotodiodes
utilisées pour la détectionéquilibrée
doiventprésenter
une
réponse
aussi similaire quepossible.
Parmi lesphotodiodes disponibles
sont donc sé-lectionnées les deuxqui présentent
les efficacitésquantiques
lesplus proches.
Cetteétape
est facilitée du fait que, l’efficacité
quantique
de cesphotodiodes
étant naturellement trèsélevée,
ladispersion
est assez faible. Laréponse
en continu desphotodiodes
que nous avons utilisées pour les deux détections que nous avons réalisées étaitidentique
à3%
près
pour lapremière
et à1%
pour la seconde. Enrevanche,
laréponse
enfréquence peut
n’être pas aussi bien
équilibrée.
Cedéséquilibre
secorrige
au niveau desamplificateurs
des
photodiodes.
B.
Système amplificateur
Les
photodiodes
secomportent
comme desgénérateurs
de courant dont lespectre
s’étendsur un certain domaine de
fréquences.
Le rôle desamplificateurs
consiste à transformerincluant évidemment le continu. Les
qualités requises
pour lesamplificateurs
sont doncune
large
bande et un faiblebruit, puisque
le courant àanalyser
est en fait constitué pardes fluctuations très faibles dans le domaine des
fréquences
non nulles.La
puissance
lumineuse incidente pourlaquelle
le bruit mesuré estégal
au bruitélectronique (c’est
à dire le bruit observé sans lumièreincidente)
est donc unegrandeur
significative
pour décrire lesperformances
de cetype
de détection. Sur lesmontages
décrits en
fig.2-1
et2-2,
lacapacité
duphotodétecteur
à mesurer les faibles bruits estprincipalement
limitée par le bruitthermique
de la résistance decharge, qui
évolue en4
kB T/R 039403BD,
oùkB
est la constante deBoltzman,
T latempérature,
039403BD l’intervalle defréquence
considéré et R la résistance decharge.
Ce bruit est à comparer avec le bruitd’un courant
poissonien
dans les mêmes conditions : 2 e i 039403BD. Sur les diverses détections que nous avonsutilisées,
cettepuissance
était de l’ordre dequelques
centaines de03BCW
compte
tenu des résistancesprésentes
sur lemontage
et des diversespertes
affectant la mesure(cf. fig.2-1
et2-2).
Sur certaines
régions
duspectre,
et notamment à bassefréquence, d’importants
excès de bruitpeuvent
être observés. Ilimporte
d’éviterqu’ils
ne saturent lesamplificateurs
ni ne
perturbent
leurréponse,
cequi impose l’usage
de filtresadaptés.
Parailleurs,
lesamplificateurs
utilisés pourchaque
voie doiventprésenter
desréponses identiques
surl’ensemble du domaine de
fréquence
considéré.Pour mesurer le bruit des diodes laser nous avons utilisé des
systèmes
de détectionrépondant
aux schémas desfigures
2-1 et 2-2. Dans les deux cas, lapartie
continue du courant estséparée
de lapartie
hautefréquence
au moyen defiltres passifs (capacités
et éventuellement
inductance).
Le continu estenvoyé
sur une résistance decharge
deprécision (1%) qui
convertit le courant en une tension restituée par un OP27 monté ensuiveur,
avec ungain global
de 100mV par mA. Lemontage
en suiveur facilitel’équilibrage
des deux voies en
continu, puisqu’en supprimant
les résistances degain,
il réduit lessources d’éventuel
déséquilibre.
Figure~2-1: Montage amplificateur
àphotodiodes
avec AH0014 en voie HFrésistance de
charge,
de 3k03A9,
et la tension en résultantamplifiée
par unamplificateur
de
type
AH0013(fig.2-1)
ou CLC425(fig.2-2).
Tous deux sont desamplificateurs
à faiblebruit. Le
CLC,
deconception beaucoup plus
récente quel’AH0013,
lui a étépréféré
en raison de sa bandebeaucoup plus large.
La tension délivrée parl’amplificateur
est fina-lement filtrée par unpasse-haut
afin desupprimer
toutecomposante
continue résiduelle(dommageable
pourl’analyseur
despectre)
et la sortie del’amplificateur
estadaptée
50ohms. A cet
égard, l’impédance
de sortie à hautefréquence
de l’AH0013 est trèsfaible,
et
l’adaptation
se fait enplaçant simplement
50 ohms en série à la sortie del’amplifi-cateur. Le
rapport signal
sur bruit de la détectionpeut
être amélioré enaugmentant
la résistance decharge,
mais c’est auprix
d’un rétrécissement de la bandepassante
dû aufiltre R-C constitué par la
capacité
interne de laphotodiode
et la résistance decharge.
Typiquement
les ordres degrandeur
desfréquences
de coupure des filtresprésents
sur lapartie
hautefréquence
sont les suivants:- Filtre
passe-haut
d’entrée: moins de 1 MHz- Filtre
passe-haut
de sortie: 50 kHz- Filtre
passe-bas
dû à lacapacité
interne de laphotodiode: plus
de 30 MHzC.
Equilibrage
desamplificateurs
Le
principe
que nous avonsdégagé
de lapratique
consiste à réaliserl’équilibrage
en deuxtemps.
La chaîne de détection est un ensemblequi
atteint une certainecomplexité.
C’estpourquoi
ilimporte
dans unpremier temps
de vérifierindépendamment
pourchaque
élé-ment de la chaîne étudiéséparément
la conformité du fonctionnement observé avec celui attendu. Dans un deuxièmetemps
on s’attachera à vérifier le bon fonctionnement de l’en-semble de la chaîne. Pouroptimiser celui-ci,
il faudra retoucher à certainséléments,
soit pour en améliorerl’équilibrage,
soit au contraire pour introduire delégers déséquilibres
locaux
qui compensent globalement
lesdéséquilibres
existants.Dans un
premier
stade de la mise aupoint
de la détectionéquilibrée, l’équilibrage
à des résistances de
précision.
Pour les hautesfréquences
on se contente devérifier,
enenvoyant
une sinusoïde de très faibleamplitude
sur les résistances decharge
dechaque
amplificateur
et enenregistrant
les courbes deréponse
obtenues àl’analyseur
despectre
en faisant varier la
fréquence
de lasinusoïde,
quechaque amplificateur
avec ses filtres donne la mêmeréponse.
La résolution del’analyseur
despectre permet
de le vérifier à environ1%. Malgré
laqualité
descomposants utilisés,
onpeut observer
unléger
écart degain
d’unamplificateur
à l’autre(notamment
avec lesAH0013).
Il convient donc desélectionner, parmi
lesamplificateurs disponibles,
deux éléments correctementappariés,
de manière à ce que cet écart reste le même sur toute la bande d’observation. Il
peut
alors être
corrigé
enajustant
sur l’un des deux circuits la résistance fixant legain
del’amplificateur.
Dans le document
Réduction du bruit dans les lasers : application aux lasers à semi-conducteur et aux minilasers solides
(Page 108-114)