2 Production d’états comprimés du rayonnement à l’aide de diodes laser 99
2.1.2 Système soustracteur et additionneur
C’est le coeur de la détection
équilibrée.
Ildispose
de deux entrées pour recevoir lessignaux envoyés
par les deuxphotodiodes
et d’une sortiequi
donne soit la somme soit la différence dessignaux
d’entrée. Il doit êtrepossible
de basculer trèsrapidement
de la somme à la différence etréciproquement:
parexemple
avec uninterrupteur
(sommateur-soustracteur
actif, cf.2.1.2.C.1),
ou encore enéchangeant
uneprise
BNC(sommateur-soustracteur
passif, cf.2.1.2.C.2).
Le sommateur soustracteur doit être construit trèssoi-gneusement
et conditionne l’ensemble de la chaîne de détection. Lesqualités
que nousattendons de lui sont d’abord celles attendues des
amplificateurs
dephotodiode :
faiblebruit, large bande,
et pas de saturation. Il doitpermettre
d’observer dans les délais lesplus brefs,
et sansperturber
la mesure, la somme et la différence dessignaux qui
lui sontenvoyés.
Deplus,
il doit être conçu de manière àprésenter
le meilleuréquilibrage possible.
Pour caractériser cet
équilibrage,
nous définissonsquatre
coefficients: , 103B103B12, 03B21, 03B22.
position soustracteur,
lesignal VM:
L’équilibrage
estparfait
si 03B11 =03B1
2
= 03B21 = 03B22.
A. Test des
performances
du sommateur-soustracteurLe test consiste à déterminer la
réponse
dusystème
au bruitqu’on
lui envoie et à voir s’ilest correctement
équilibré.
C’est à direqu’il
faut comparer les coefficients 03B11,03B12, 03B21, 03B22.
Cela revient à déterminer la
réponse
dechaque
voied’entrée,
enconfiguration
soustract-rice ousommatrice,
à unsignal
dont lafréquence balaye
le domainespectral
d’observa-tion. Pour
cela,
ondispose
d’ungénérateur
de fonctions de 0 à20MHz,
que l’on envoie successivement surchaque voie,
pourchaque configuration
~ et e.Or,
pour tester lesperformances
du sommateur soustracteur il faut le faire fonctionner dans les conditionsqu’il
connaîtralorsqu’il
seraintégré
à la chaîne de mesure. Il faut notammentrespecter l’adaptation
50ohms, puisque
lesamplificateurs
desphotodiodes
se
comportent
comme desgénérateurs
de tensionayant
une résistance de sortie de 50 ohms. C’estpourquoi,
lors de la mesure dechaque coefficient,
sur la voie d’entrée restéelibre,
onplace
un bouchon 50 ohmsqui
simulel’impédance
de sortie duphotodétecteur
qui s’y
raccorderait en fonctionnement normal. De même lessignaux envoyés
par legénérateur
de fonction doivent rester assezfaibles,
dans la gamme dessignaux
mesurés(en général
moins de 100mV).
Les mesures des coefficients seprésentent
sous la forme despectres
de 0 à 20MHz,
que l’on compare les uns aux autres. Onpeut
ainsi détecter desdéséquilibres
de l’ordre de 1 à2% et,
dans le cas du sommateur-soustracteuractif,
les
corriger
enconséquence
enagissant
sur les résistances du circuit.Pour
compléter l’équilibrage,
il faut mesurer le taux deréjection ~
dusoustracteur,
Il mesure donc la
capacité
du soustracteur à éliminer le bruit en excès par soustraction des bruits des deuxphotodétecteurs
et donc à donner une référence de bruitquantique
standard correcte. Il
complète
la mesure individuelle des coefficients dechaque
voie d’unepart
en donnant uneprécision
bien meilleure pour lacomparaison
de03B21
et03B22
car c’est une mesure pardifférence,
d’autrepart
en donnant desrenseignements
sur laphase
relative de ces deux coefficients. Cette connaissance de la
phase
est moins nécessaire pour les coefficients 03B11 et 03B12 parce que laconfiguration
sommatrice estsymétrique
parconstruction,
etl’équilibrage,
sans êtreacquis d’avance,
est moinscritique
que pour la voie soustractrice.Pour mesurer ~, il faut envoyer sur
chaque
voie exactement le mêmesignal.
Pourcela,
nousséparons
lesignal
dugénérateur
de fonctions en deuxsignaux identiques
à l’aide d’un sommateur MiniCircuit,
cequi
estbeaucoup plus
satisfaisant que deprendre
un
simple
" T "BNC, puisque
le sommateur Mini Circuit assurel’adaptation
50 ohmsrequise (cf.2.1.2.C.2) .
Il y a lieu d’être très
exigeant
sur le taux deréjection
mesuré etd’apporter
dès ce stade les correctifs nécessaires aux anomalies détectées. Des résultats satisfaisants sur la mesuredes coefficients individuels
garantissent généralement
un taux deréjection
d’au moins 25dB sur le sommateur-soustracteur isolé. Il faut s’efforcer en affinant le
réglage
d’obtenir untaux d’au moins 40 dB. Ceci
permet
derepérer
la source d’éventuelsdysfonctionnements
avant de réunir tous les éléments de la chaîne. Les défauts les
plus
difficiles àcorriger
sont les
déphasages qui
entraînent la recherche decapacités adaptées.
B.
Equilibrage
de la chaînecomplète
B.1
Amplificateurs
àphotodiodes
et sommateur soustracteur Une fois que le soustracteur sommateur a étéoptimisé,
nous construisonsprogressivement
la chaîne desans les
photodiodes.
Le courant débité par celles-ci estremplacé
par lesignal
délivré par legénérateur
de fonctions.Il suffit alors de
répéter
la même démarche que pour le sommateur-soustracteur isolé. Grâce auxprécédents réglages,
l’identité des courbes deréponse
pourchaque
voie danschaque configuration
est aisément réalisée. Enrevanche,
laréjection peut
être moins bonnequ’espéré.
Il convient d’abord de tester l’ensemble desdispositions possibles
de lachaîne de mesure:
premier amplificateur
sur la voie 1 et second sur la2,
ou l’inverse.Ensuite,
une fois trouvée ladisposition
laplus favorable,
il faut tenter decorriger
le défaut enajustant
legain
d’une des deux voies. Si cela ne suffit pas, il faut soupçonnerun
problème
dedéphasage.
Il convient notamment de veiller àprendre
des cables BNCde
longueur identique
pour les raccordements dechaque
voie afin d’éliminer cette source dedéphasage.
B.2 Chaîne
complète
La dernièreétape
consiste à monter lesphotodiodes.
Cecipeut
occasionner de nouvelles
perturbations,
engénéral
sansgravité,
parce que lesdéséquilibres
introduits par les
photodiodes
se réduisentgénéralement,
dans la bande d’observationconsidérée,
à unléger
écart degain (parfois négligeable)
sansdéphasage
notable. Ils’agit
donc du défaut le
plus
facile àcorriger.
La vérification ultime du
montage complet (cube polariseur, amplificateur
àphoto-diodes,
sommateursoustracteur) peut
se faire de deux manières: si on nedispose
pas de lapossibilité
de moduler la lumièreenvoyée
sur lesphotodiodes,
il estpossible
de compa-rer les coefficients dechaque
voie enmasquant
successivementchaque photodiode
danschaque configuration
~ ete,
et de comparer surl’analyseur
despectre
dans de bonnes conditions de résolution(" zero span")
lesquatres réponses
obtenues pour le bruit. Pour connaître lescapacités
deréjection
de ladétection,
onpeut
envoyer une lumière trèsbruyante (40
ou 60 dB d’excès debruit)
et déterminer ainsi laproportion
d’excès debruit que la détection en
configuration
e estcapable
d’éliminer. Toutefois certainsdonc
préférable, lorsque
cela estpossible,
de mesurer le taux deréjection
en modulant l’intensité du faisceau émis par la source lumineuse(par exemple
en modulant le courant d’alimentation de ladiode)
et en observant l’atténuation dupic
de modulation sur lesignal
~.Il
peut
alors s’avérer nécessaire deprocéder
à un nouveaurééquilibrage
de la chaîne pour uneoptimisation
définitive. Les diversesprocédures
à suivre pourcorriger
lesdésé-quilibres
introduits par lesphotodiodes
sont décrits etjustifiés
en(2.1.4.B).
C. Sommateur-soustracteur actif et sommateur-soustracteur
passif
Nous avons utilisé deux
types
de sommateur-soustracteur: lepremier
fut unsystème
actif
fabriqué
aulaboratoire,
le second unsystème passif
monté àpartir
decomposants
du commerce.
C.1 Sommateur soustracteur actif Pour la
première
chaîne de détection que nous avons construite nous avonsrepris
lesplans
d’unmontage
existant au laboratoire dontnous avons recalculé les
paramètres
en veillantparticulièrement
auxadaptations
d’impé-dance et à la
qualité
du circuit de masse.L’amplificateur
utilisé était unAH0014,
defaible bruit mais de bande
passante médiocre2.
Legain
du sommateur-soustracteur tel que nous l’avons réalisé avec l’AH0014 était de l’ordre de 5 dB sur une dizaine de MHz.Les conditions
imposées
pour le choix desparamètres
sont résumées dans le tableau2-4. L’ensemble des résistances
présentes
dans le circuitpermet
de vérifier toutes ces conditions. En mettant àprofit
lessymétries
il estpossible
de trouver une solutionana-lytique simple
à l’ensemble dusystème. Ainsi,
pour réaliserl’égalité
desgains
et celle desimpédances
d’entrée enconfiguration sommatrice,
il suffit deprendre
descomposants
identiques
pour les voies 1 et 2 dans laconfiguration
~. Eneffet,
dans cetteconfigu-ration,
les deux voies sontinterchangeables
parrapport
àl’AH0014,
de sorte que leur2
Moyennant
quelques aménagements, il est possible d’utiliser le montage de lafig.
2-3 en recourant àFigure~2-3:
Sommateur-soustracteur actiféquilibrage
n’est limité que par laprécision
et la fiabilité desrésistances, qui
estexcel-lente. De
plus
la voie 1 n’est pas affectée par lechangement
deconfiguration ~/~.
Ona donc par construction
03B21
=03B1 1
, et
l’égalité 03B21
=03B2
2
est très facile à réaliser. Une des conditions lesplus
délicates à réaliserexpérimentalement
est celleportant
sur laqualité
de la
soustraction,
dontdépend
le taux deréjection.
C’estpourquoi
nous nous réservons lapossibilité
d’unréglage
fin enplaçant
unpotentiomètre
enRB.
Nous avons testé l’ensemble
amplificateurs
àphotodiodes-sommateur
soustracteur en retirant lesphotodiodes
et eninjectant
une sinusoïde defréquence
variable à laplace
duphotocourant.
Nous avons ainsi obtenu un taux deréjection
de 54 dB entre 0 et 20 MHz.Une fois les
photodiodes
mises enplace,
le mêmesystème présentait
un taux deréjection
de l’ordre de 40 dB. Notons que l’on ne
parvient
pas aux mêmesperformances
selon lacombinaison que l’on retient pour relier les
amplificateurs
àphotodiodes
au sommateur soustracteur(amplificateur
1 sur voie1, etc...).
C.2 Sommateur soustracteur
passif
Par la suite nous avons dûfabriquer
une nou-velle détectionéquilibrée, exigée
par les besoins d’une nouvelleexpérience.
A cetteocca-sion,
nous avons tenté de nous affranchir d’unelarge partie
des difficultésd’équilibrage
électronique,
en recourant à descomposants
commerciaux de hautefiabilité,
et suscep-tibles de nous procurer une bienplus large
bande que celle obtenue avec un AH0014.(Si
notre choix s’était
porté
sur unsystème
actifidentique
à celui de la sectionprécédente,
l’AH0014 aurait évidemment été
remplacé
par unCLC425,
cequi
auraitélargi
la bandemais
posé
éventuellement d’autres difficultésd’adaptation).
Nous avons utilisé des modules soustracteurs de marque MiniCircuit. Il
s’agit
de modules à trois bornes. Deux bornespermettent
d’entrer les deuxsignaux
à additionnerou à soustraire. Par la troisième on recueille un
signal proportionnel
à la somme dessignaux
d’entrée s’ils’agit
d’un circuit sommateur(fig. 2-5),
ou à leur différence s’ils’agit
d’un différenciateur
(fig. 2-6).
Enoutre,
ces modules sontréversibles,
de sortequ’en
injectant
unsignal
sur la troisièmeborne,
on recueille sur les deux autres bornes deuxsignaux égaux
dans le cassommateur,
etopposés
dans le cas différentiateur.Les
pertes
d’insertion sont de l’ordre de3,6
dB pour une utilisation en sens inverse. Cesmodules ont une très
grande
bandepassante (de
1 à 200MHz)
etexigent
uneadaptation
d’impédance
à 50 ohms.Nous nous sommes servis d’un module sommateur pour tester dans de bonnes condi-tions la chaîne de détection
(cf.2.1.2.A)
et de trois modules soustracteurs pour réaliser lachaîne de détection dans les conditions de
symétrie
lesplus
intéressantes.Le
principe
dumontage
estprésenté
enfig.2-7 .
Lesignal
dechaque amplificateur
àphotodiodes
estenvoyé
sur une des bornes d’entrée de deuxsoustracteurs;
un bouchon 50 ohms estplacé
sur l’autre borne. Les deuxsignaux
de sortie sontenvoyés
chacun sur les bornes d’entrée du troisième soustracteur. Selon que lessignaux
desphotodétecteurs
sont reliés à la même borne des soustracteurs ou non, on obtient
finalement
unsignal
proportionnel
à ladifférence
ou à la somme de cessignaux.
Figure~2-5:
Sommateur(a)
et soustracteur(b)
MiniCircuit en sens normalFigure~2-7:
Sommateur soustracteurpassif
(notamment
leur taux deréjection), puis
celles dumontage
sommateur soustracteurcomposé
des trois soustracteurs MiniCircuit. Ces vérifications ont été trèsrapides
car lesperformances
des MiniCircuit sontexcellentes;
nous avons toutefois constaté que cer-taines combinaisons étaient meilleures que d’autres.Enfin,
nous avons testé le sommateur soustracteur avec lesamplificateurs
sans lesphotodiodes.
Une des huit combinaisonspos-sibles s’est révélée nettement meilleure que les autres et a été retenue
lorsque
nous avons installé lesphotodiodes.
Le taux de
réjection
de la détectionéquilibrée complète
a été mesuré àpartir
de lamodulation du faisceau émis par la diode et était nettement moins bon que celui que laissaient
présager
les tests effectués sansphotodiodes.
Il était néanmoinspossible
de l’améliorer endéséquilibrant
lepartage optique
du faisceau au niveau du cubepola-riseur. Il
s’agissait
donc d’unelégère
différence entre les courbes deréponse
des deuxphotodiodes, qu’il
a étépossible
decorriger
convenablement en modifiant les résistances degain
sur lesamplificateurs
dephotodiode.
Nous sommes ainsi parvenus à un taux deRemarquons qu’un
telmontage présente
l’inconvénient d’introduire un peuplus
de6 dB de
pertes
sur lesignal
issu desphotodétecteurs,
cequi impose
le recours à deuxamplificateurs
detype
ZHL de 9 dB degain
en sortie du sommateur soustracteur.
Dans le document
Réduction du bruit dans les lasers : application aux lasers à semi-conducteur et aux minilasers solides
(Page 114-124)