Glossaire technique

Lorsqu'un photon frappe le matériau de la photodiode, il peut générer une paire électron-trou qui dépend du rendement quantique de l’appareil. Le rendement quantique est fonction de nombreux facteurs, mais en général si l'énergie du photon, E = hv, est inférieure à la bande interdite de l’appareil, ces photons sont absorbés très près de la surface, où la vitesse de recombinaison est élevée et contribuent au photocourant. Le rendement quantique est responsable de la relation entre la longueur d'onde et la réponse spectrale de la photodiode. Les matériaux semi-conducteurs comme le silicium et l'InGaAs possèdent différentes bandes interdites ; ils présentent donc différents rendements quantiques à différentes longueurs d'ondes, d'où des profils de sensibilité spectrale propres à chaque type de matériau spécifique.
Les photodiodes à semi-conducteurs sont idéales pour réaliser des mesures de lumière de faible niveau du fait de leur sensibilité élevée et de leur bruit réduit. La plupart des fabricants de photodiodes conçoivent leurs diodes spécialement pour une utilisation en mode photoconducteur (polarisée dans le sens inverse) ou en mode photovoltaïque (pas de polarisation), ces deux modes ayant leurs avantages et leurs inconvénients. Les photodiodes basse puissance des séries 818, 918L et 918D de Newport sont utilisées en mode photovoltaïque pour tirer avantage du niveau de bruit réduit.
Les deux principales sources de bruit provenant de la seule diode sont le bruit Johnson et le bruit de grenaille. En mode photovoltaïque sans lumière frappant la surface de la photodiode, la photodiode est en équilibre thermique et produit un bruit thermique aléatoire appelé bruit de courant Johnson et exprimé par la formule :

où k est la constante de Boltzman, T la température en Kelvin, B la bande passante du détecteur/amplificateur et R_sh la résistance en parallèle de la photodiode. Cette équation montre également qu'il est souhaitable d'avoir une photodiode avec une résistance en parallèle élevée pour réduire le bruit Johnson.
Le bruit de grenaille est le bruit produit par l'écoulement du courant dans la diode et il est exprimé par la formule :

où q est la charge d'un électron, I_obsc le courant d'obscurité et I_photo le photocourant. Lorsqu'une photodiode est utilisée en mode photovoltaïque, la tension appliquée à la diode s'établit à zéro volt. Par voie de conséquence, le courant d'obscurité s'en trouve ainsi presque éliminé. Le courant d'obscurité étant négligeable, le bruit de grenaille apporté par le courant d'obscurité est également éliminé. Pour mettre ces effets en perspective, on peut dire que si un détecteur a été polarisé comme en mode photoconducteur, le courant d'obscurité devrait être trente fois supérieur au courant de bruit équivalent d'un détecteur non polarisé.
Le photocourant produit par la photodiode est mesuré directement par le puissancemètre en utilisant un circuit amplificateur opérationnel dénommé amplificateur de transimpédance. On peut généralement procéder à des mesures en dessous du picoampère avec une bonne reproductibilité, même à des températures ambiantes. Il est fait exception à cette règle lorsque la résistance en parallèle de la photodiode est faible, comme avec la photodiode au germanium (818-IR, 918L-IR, 918D-IR)). Du fait de sa faible résistance en parallèle (50 kW typique), la meilleure résolution pouvant être obtenue est de quelques dizaines de picoampères.

Détecteurs de puissance : principes de fonctionnement

Le détecteur laser haute puissance (>5-Watts)de base est essentiellement une thermopile. L’application la plus courante pour les themopiles, c’est en fait de là que vient le nom courant de refroidisseur thermoélectrique Cependant, on utilise les thermopiles mesurant la puissance laser d’une manière différente. C’est-à-dire qu’on utilise une différence de température pour créer une tension. Un côté contient des matériaux chauffés par le laser, l'autre côté est un dissipateur de chaleur, avec l’absorbeur chaud sur une surface et le dissipateur de chaleur froid sur l’autre. Une différence de température traverse le système thermoélectrique puisque la chaleur circule dedans. La thermopile génère une tension à cause de cette différence de température. Cette tension est proportionnelle à la différence de température, qui est proportionnelle à la puissance du laser. Le moniteur mesure cette tension afin de fournir la puissance du laser qui se lit en Watts.
L’absorbeur
Le matériau absorbant optique est l’une des parties les plus importantes du détecteur, car ses propriétés déterminent un grand nombre des performances du détecteur, surtout sa résistance à des dégâts provoqués par les impulsions. Ce matériau absorbe la plus grande partie de l’énergie lumineuse émise par le laser et la transforme en chaleur. Une partie est réfléchie, la proportion de cette réflexion pouvant varier de quelques pourcent à 50 pourcent de la puissance optique totale, selon le matériau et les applications projetées. Combien la courbe de réponse d’absorptivité spectrale affiche-t-elle pour le matériau ?
Atténuateurs de volume
Pour les applications demandant une très grande concentration de puissance et d’énergie sur une petite surface et une petite période de temps pour une longueur d’onde unique, un atténuateur de volume serait nécessaire. Contrairement aux matériaux à bande large qui absorbent l’énergie sur la surface, l’énergie est absorbée dans toute l’épaisseur du matériau. Les densités d’énergie plus importantes que 3 J/cm2 et les densités de puissance de crête au-dessus de 100 000 MW/cm2 peuvent être traîtées de cette façon selon la longueur d’onde.
Thermopiles à disque
Deux sortes de thermopiles sont utilisées pour mesurer la puissance du laser. L'une est une thermopile de type tranche et l'autre de type disque. Lorsqu'une grande quantité d'énergie moyenne est absorbée et doit circuler dans le petit écartement contenant les thermocouples, la température devient assez chaude pour détériorer les jonctions de thermocouple, c’est-à-dire lorsque la thermopile à disque affiche sa valeur. Le disque est composé de deux ensembles de jonctions tracés d’une manière radiale. Un ensemble de jonctions se trouve sous l'ouverture lorsque l’ensemble alternatif est à côté du bord du disque qui est fixé à un énorme dissipateur de chaleur. La puissance du laser chauffe l'absorbeur au centre et crée une différence de température entre le centre et le bord. Les thermocouples génèrent une tension correspondant à cette différence, tout comme dans la thermopile à tranche. La différence principale réside dans le fait que la chaleur circule de façon radiale à travers le disque, qui peut traiter plus de puissance moyenne, surtout avec de l'air soufflé ou un refroidissement à eau. La thermopile à disque a également un temps de réponse naturelle beaucoup plus rapide.
Auteur des notions de base de la thermopile : Robert Provencher

Les détecteurs pyroélectriques servent à mesurer l'énergie des impulsions optiques courtes, ayant une largeur maximale de 5 ms à 400 ms selon la conception du détecteur. Ces détecteurs sont réalisés dans un cristal ferroélectrique présentant un moment dipolaire permanent. Lorsqu'il est soumis à une impulsion optique, le cristal est réchauffé, ce qui provoque le changement du moment dipolaire, ce dernier provoquant à son tour l'écoulement d'un courant qui est converti en une tension dans la tête du détecteur pouvant être mesurée par le puissancemètre optique ou par l'oscilloscope.

Comme vous pouvez le voir sur la figure 1, l'impulsion thermique résultante est élargie par rapport à l'impulsion optique courte. Pendant cette impulsion thermique, le courant s'écoule dans le cristal ferroélectrique et crée une tension qui augmente en amplitude. Le puissancemètre optique est doté d'un circuit qui mesure la différence de tension entre le moment où la tension de sortie commence à augmenter et le moment où la tension de sortie atteint son amplitude de crête. Cette différence de tension est alors multipliée numériquement par la sensibilité du détecteur (exprimé en joule/volt), ce qui donne l'énergie de l'impulsion exprimée en joules.
La plupart des détecteurs pyroélectriques Newport exigent une connexion dans une impédance d'entrée de 1 MW, alors que certains ont des amplificateurs intégrés qui exigent une impédance d'entrée de 50 W. Nos puissancemètres optiques utilisant un module d'étalonnage délivrent automatiquement la bonne impédance, alors qu'il faut veiller à choisir la bonne impédance lorsque l'on recourt à un oscilloscope.
Lorsque l'on utilise des détecteurs pyroélectriques, il faut veiller à ne pas dépasser la largeur d'impulsion maximale ou la fréquence de récurrence maximale. Si l'une de ces spécifications est dépassée, votre précision de mesure sera moins bonne en raison de la limitation de la bande passante électrique du détecteur.

Newport Corporation réalise le calibrage spectral des photodiodes dans son usine d'Irvine (Californie). Les calibrages sont effectués à l'aide d'un double monochromateur pour minimiser le bruit optique parasite, surtout dans l'ultraviolet. Le monochromateur utilise trois réseaux et deux sources de lumière pour maximaliser le rapport signal/bruit sur les plages de longueur d'onde de 190 nm à 2550 nm. On utilise une lampe au deutérium dans la plage ultraviolet jusqu'à 310 nm et une lampe au tungstène au-delà, dans le visible et dans le proche infrarouge.
Newport utilise deux détecteurs étalon qui sont envoyés tous les ans au NIST pour étalonnage. L'un des détecteurs étalon est utilisé pour les longueurs d'onde entre 190 et 1 100 nm, 400 et 1600 nm, 780 et 1 800 nm, et entre 1200 et 2550 nm. La précision de sensibilité absolue des détecteurs étalon NIST est fondée sur un radiomètre cryogénique présentant une incertitude relative (k=2) de 0,2 % par rapport aux unités SI absolues.
Avant d'étalonner un lot de détecteurs sortant de fabrication, nous mesurons le flux optique sortant du monochromateur par pas de 10 nm en utilisant le détecteur étalon NIST de référence sur toute la plage de longueur d'onde pour laquelle le détecteur testé doit être étalonné. En nous fondant sur la sensibilité du détecteur étalon indiquée par le NIST, nous calculons le flux optique du monochromateur à l'aide de la relation suivante :
Flux_mono ([W] = i_mesuré [A] / Sensibilité_{Dét. std} ([A/W]),
où i_mesuré est le courant mesuré du détecteur étalon.
Connaissant le flux venant du monochromateur, nous mesurons le photocourant du détecteur testé par pas de 10 nm et nous divisons ce courant par le flux du monochromateur pour obtenir la sensibilité spectrale du détecteur exprimée en A/W.
La réponse d'une photodiode étant sensible à la température, surtout aux extrémités de sa plage de longueur d'onde utile, nous maintenons la température du détecteur étalon et du détecteur testé à la température où le NIST a étalonné le détecteur étalon. Cette régulation de température est essentielle pour obtenir un étalonnage précis. La dépendance thermique du silicium induit par exemple un changement de sensibilité d'environ 10 % à 1 100 nm pour une variation de 5 °C à proximité de la température ambiante.
Après avoir étalonné un lot de détecteurs sortant de fabrication, nous procédons à une vérification sur une longueur d'onde sur chaque détecteur, avec et sans l'atténuateur OD3, pour s'assurer que tout s'est correctement passé avec l'étalonnage. Cette vérification est réalisée en utilisant un équipement d'étalonnage et de test travaillant différemment de façon à isoler tous les problèmes systématiques.

Alors que la plupart des gens veulent faire des mesures en dBm ou en W, un puissancemètre optique peut seulement mesurer le courant ou la tension délivrée par un photodétecteur.
La quantité à mesurer est le courant en cas d'utilisation avec une photodiode. Il existe de nombreuses techniques pour mesurer ce courant, mais une seule est en mesure de délivrer la détectivité, c'est-à-dire le rapport signal/bruit, et la précision que l'on attend d'une photodiode à semi-conducteurs. L'amplificateur de transimpédance est le circuit de prédestination lorsque l'on utilise une photodiode (figure 2).

L'avantage de l'amplificateur de transimpédance par rapport à la plupart des autres configurations d'amplificateur réside dans le fait qu'il ne polarise pas la photodiode avec une tension lorsque le courant commence à s'écouler de la photodiode. Généralement, un fil de la photodiode est relié à la terre alors que l'autre fil est amené à une terre virtuelle via l'entrée négative de l'amplificateur de transimpédance. La polarisation résultante sur la photodiode est alors maintenue virtuellement à zéro volt, condition qui contribue à minimiser le courant d'obscurité et le bruit et à augmenter la linéarité et la détectivité.
L'amplificateur de transimpédance conduit en réalité le photocourant à s'écouler dans la résistance de contre-réaction qui crée une tension, V = iR, à la sortie de l'amplificateur. Etant donné que le puissancemètre connaît la valeur de la résistance de contre-réaction, il peut calculer le courant avec une très bonne précision.
La tension est la quantité à mesurer par le puissancemètre optique en cas d'utilisation avec une thermopile ou avec un détecteur pyroélectrique. Il existe cependant une différence considérable dans la manière d'effectuer la mesure avec ces deux types de détecteurs. Le circuit du puissancemètre optique doit être conçu et configuré pour accepter les deux types de sources de tension différentes.
Les détecteurs à thermopile produisent des plages de tensions très étroites (≈1 Hz) pouvant se situer à des niveaux inférieurs au millivolt. L'un des principaux problèmes dans la résolution de tensions aussi basses réside dans la compensation, ou l'élimination, des tensions thermoélectriques occasionnées par des métaux dissemblables qui sont délivrées aux connexions et dans le circuit imprimé. Il est regrettable que l'effet physique souhaité, qui produit la tension dans un détecteur à thermopile, soit similaire aux effets physiques indésirables se manifestant dans les connexions et dans le circuit imprimé. Le choix des composants électriques doit faire l'objet de certaines précautions pour contribuer à minimiser les tensions thermoélectriques parasites. De plus, pour assurer la résolution précise de ces faibles tensions, le puissancemètre optique doit être en mesure d'annuler la tension de décalage due à la dérive thermique des composants et de la thermopile.
Les détecteurs pyroélectriques produisent en revanche des signaux avec un temps de montée relativement rapide en régime microseconde (voir la figure à la section Notions de base des détecteurs pyroélectriques). Le circuit dans le puissancemètre optique doit échantillonner la tension de la ligne de base et l'amplitude crête de l'impulsion. Ces deux tensions sont ensuite injectées dans un amplificateur différentiel et c'est cette différence de tension qui détermine la quantité d'énergie dans l'impulsion optique au moyen de la sensibilité du détecteur. Il faut prendre des précautions pour éviter le déclenchement intempestif du circuit d'échantillonnage car ces circuits sont sensibles au bruit. Etant donné que les détecteurs pyroélectriques rapides ont des pics étroits, il est fondamental que la largeur de bande du circuit soit suffisamment rapide pour capturer le niveau de la crête supérieure sans affecter la précision en amplitude.

Les sphères intégrantes à usage général de Newport s'utilisent pour réaliser toute une série de mesures. Des accessoires sont également prévus en option pour augmenter le champ d'application de ces sphères intégrantes.

Puissance du faisceau

La mesure de la puissance totale du faisceau collimaté ou non collimaté (figure 3) est directe, quelle que soit la polarisation ou l'alignement du faisceau. Le faisceau est introduit dans la sphère et un détecteur, protégé par un écran contre le rayonnement direct, mesure la puissance du faisceau intégrée spatialement. Les sphères intégrantes sont idéales pour mesurer la puissance de sortie de faisceaux divergents des diodes lasers, des DEL lentillées et des lampes lentillées.

Transmittance

On peut mesurer la transmittance (figure 4) en utilisant la sphère intégrante pour collecter le rayonnement émis par un échantillon maintenu dans l'une des ouvertures. On illumine l'échantillon puis on le compare avec une mesure directe de la source réalisée à l'extérieur de la sphère. Un écran est utilisé pour protéger le détecteur contre l'émission directe, et un piège de lumière peut être utilisé pour éliminer la composante non diffusée. On peut aussi mesurer la diffusion totale intégrée, la fluorescence, la diffusion en volume ainsi que la diffusion en avant et en arrière.

Réflectance

Pour mesurer la réflectance, on maintient un échantillon dans l'une des ouvertures et on l'illumine avec un faisceau incident. Le rayonnement total réfléchi est intégré spatialement par la sphère et il est mesuré par un détecteur protégé par un écran. La composante spéculaire du rayonnement réfléchi peut être éliminée en utilisant le porte-échantillon à incidence normale qui renvoie par réflexion le faisceau spéculaire à l'ouverture d'entrée. Un porte-échantillon à incidence de 8° permet de mesurer la réflectance « spéculaire plus diffuse » (figure 5). On peut calculer la réflectance d'un échantillon par rapport à un étalon connu en mesurant les deux réflectances et en établissant leur rapport. L'échantillon et l'étalon doivent, de préférence, avoir une réflectance similaire de manière à éviter les erreurs dues à la réflectivité de l'échantillon. On peut recourir à un système à double faisceau pour éliminer cette source potentielle d'erreur de mesure.

Puissance de sortie des fibres optiques

La sphère intégrante est aussi idéale pour mesurer la puissance de sortie des fibres optiques. Cette approche évite en particulier la sensibilité des thermopiles aux courants d'air et fournit un étalonnage NIST fiable des scalpels à fibre haute puissance refroidis à l'air, qui sont destinés aux applications chirurgicales ou ophthalmologiques (figure 6).

Puissance des diodes lasers

Pour réaliser une mesure précise de la puissance lumineuse absolue de diode laser, on peut utiliser un montage composé d'une sphère intégrante et d'un détecteur étalonné. Les mesures effectuées seront insensibles aux erreurs inhérentes au positionnement du détecteur ou liées à des problèmes de débordement ou de saturation de la zone active du détecteur. Positionné entre l'ouverture d'entrée et l'ouverture du détecteur, un écran empêche le détecteur d'avoir une vue directe sur l'ouverture d'émission du laser ou sur la zone d'illumination directe. Le flux détecté dans une sphère intégrante est toujours une petite fraction du flux incident. Grâce à cette atténuation résultant du fait que la lumière se réfléchit plusieurs fois avant d'atteindre le détecteur, la sphère intégrante représente l'outil idéal pour mesurer la puissance lumineuse de sortie des lasers haute puissance (figure 7).

On utilise plusieurs termes pour décrire la performance des détecteurs rapides. Ils se définissent de la manière suivante :
Gain de conversion, GC : Sensibilité d'un détecteur ou d'un détecteur amplifié (généralement exprimée par 50 ohms) convertie en volt/watt par la loi d'Ohm. GC = Sensibilité x 50 ohms.
Courant d'obscurité : Courant continu circulant dans un détecteur en l'absence de lumière. Généralement mesuré dans la plage des nanoampères.
dB: Unité logarithmique de mesure relative [p.ex. 3 dB = rapport de 2:1].
dBm : Unité logarithmique de mesure absolue de la puissance [0 dBm = 1 mW].
PEB: Puissance équivalente de bruit, c'est la puissance optique d'entrée produisant le même niveau de sortie que le niveau de bruit naturel du détecteur / récepteur, à savoir un rapport signal/bruit égal à l'unité. Généralement exprimé en picowatts par racine carrée de la bande passante. Le niveau total de bruit est calculé en multipliant la PEB par la racine carrée de la pleine bande passante.
Perte par retour optique, PRO : Quantité de lumière réfléchie (perdue) par le détecteur vers la source de lumière. Mesurée en dB relatif par rapport au niveau de la puissance d'entrée. Pour les systèmes monomodes du commerce, les valeurs PRO typiques pour un détecteur doivent être inférieures à –27 dB. Pour les systèmes multimodes, la valeur maximale admissible est généralement –14 dB.
Bande passante en puissance à –3 dB. Fréquence à laquelle la puissance électrique de sortie du détecteur tombe à 50 % de sa valeur en courant continu. Similaire à la bande passante « électrique ». Utilisée généralement pour spécifier la bande passante des détecteurs hyperfréquences analogiques.
Largeur d'impulsion : Durée totale à la moitié de la valeur maximale (FDHM) de l'impulsion de sortie en courant lorsque le détecteur est illuminé par une impulsion optique négligeablement courte.
Sensibilité de réponse, R : Sensibilité de réponse d'un élément détecteur à la lumière exprimée en ampère/watt, indépendante de la résistance de la charge.
Temps de montée : Temps de montée de 10 à 90 % de l'échelon de tension de sortie lorsque le détecteur est illuminé par une fonction échelon optique négligeablement courte. Ceci est difficilement réalisable en pratique, de sorte que la mesure est simulée mathématiquement en intégrant la largeur d'impulsion (voir ci-dessus).
Sensibilité : Puissance optique d'entrée (en dBm) exigée pour obtenir un taux d'erreurs sur bit particulier, TEB (ou rapport signal/bruit) à la sortie du détecteur / récepteur. Généralement spécifiée pour un TEB de 10^-9 (ou un rapport S/B de 6). Un TEB de^-12 implique un rapport S/B = 7.
Bande passante en tension, –3 dB : Fréquence à laquelle le courant ou la tension de sortie du détecteur tombe à 50 % de sa valeur en courant continu. Identique à la bande passante optique. Même valeur que la bande passante en puissance –6dB.

La performance temporelle des détecteurs est souvent spécifiée par la réponse impulsionnelle ou par le temps de montée. Lequel de ces paramètres convient à votre application ?
Il est mieux d'utiliser la réponse impulsionnelle lorsque vous mesurez effectivement des impulsions, à savoir des signaux qui deviennent passant puis retournent à zéro. La réponse impulsionnelle d'un détecteur vous indique quelle est l'impulsion la plus courte que vous êtes susceptible de voir sortir du détecteur. Pour obtenir une bonne résolution, vous devez sélectionner un détecteur dont la FDHM est au moins trois fois plus courte que l'impulsion que vous souhaitez mesurer.
Le temps de montée est le paramètre qui s'impose lorsque vous mesurez des fronts montants ou descendants. Ce type de mesure est courant en particulier dans les systèmes de télécommunications numériques où les trains binaires sont constitués d'une série sans fin de fronts montants et descendants. Pour obtenir une bonne résolution dans des applications de diagnostic, le temps de montée d'un détecteur devrait à nouveau être au moins trois fois plus court que le temps de montée que vous souhaitez mesurer.
Il est évident que la réponse impulsionnelle et le temps de montée sont des valeurs apparentées. Mathématiquement, on peut obtenir le temps de montée d'un détecteur en intégrant sa réponse impulsionnelle. Des impulsions nettes, sans queue ni oscillation, approchent une forme gaussienne. De telles impulsions ont des temps de montée (de 10 à 90 %) qui sont plus longues que la FDHM de 10 % seulement. Dans ce cas, la différence entre les deux valeurs est négligeable.
Néanmoins, lorsque des formes d'impulsion divergent de la forme idéale, la différence entre la réponse impulsionnelle et le temps de montée peut effectivement devenir importante. Les impulsions avec des queues positives produisent des temps de montée plus longs (et ont une bande passante moindre), alors que les impulsions avec une oscillation négative produisent des temps de montée plus courts (et ont une bande passante augmentée).

Les paramètres communs à prendre en considération lors de la sélection d'un détecteur pour une application particulière sont nombreux. Citons-en quelques-uns : largeur d'impulsion, bande passante, sensibilité de réponse, sensibilité spectrale, niveau de bruit, linéarité, tenue en puissance, tension de polarisation, puissance absorbée, etc. Le boom des télécommunications par fibres optiques a cependant conduit les applications des détecteurs à évoluer en deux groupes principaux présentant des exigences fondamentalement différentes en ce qui concerne la forme de la réponse temporelle ou fréquencielle. L'exigence particulière relative à la forme de la réponse est généralement déterminée par le type d'application de l'utilisateur : temporelle ou fréquencielle. Lorsque l'on sait cela, que recherche-t-on au moment d'effectuer une sélection ?
La figure 8a montre la réponse impulsionnelle d'un détecteur 15 ps conçu pour des applications temporelles. La figure 8b montre sa courbe de réponse en fréquence correspondante. Il est à noter que l'impulsion est très « nette » dans le domaine temporel en accusant une très faible queue ou oscillation. Ce type de réponse impulsionnelle gaussienne est idéal pour les applications dans lesquelles on étudie le comportement temporel d'une forme d'onde ou dans lesquelles le comportement temporel d'un signal optique doit être converti aussi précisément que possible en une réplique électrique. La plupart des applications courantes se retrouvent dans les diagnostics et les récepteurs de signaux pour télécommunications numériques, où la distorsion temporelle peut créer des erreurs sur bit. Il est à noter que pour ce type de détecteur, la réponse en fréquence s'atténue doucement à un point de 3 dB vers 21 GHz, ce qui donne un produit durée-largeur de bande gaussien de 310 GHz-ps (bande passante en puissance).
La figure 9b montre la réponse en fréquence d'un autre détecteur conçu pour des applications fréquencielles. La figure 9a montre sa forme d'onde temporelle correspondante. Il est à noter que dans ce cas, la réponse en fréquence a été conçue pour être plate sur 1 dB entre le mode continu et 20 GHz. Au-delà, la réponse décroît rapidement. Ce type de détecteur est idéal pour de nombreuses applications hautes fréquences analogiques dans lesquelles on peut détecter un signal à bande étroite n'importe où dans la bande passante de fonctionnement avec, pour l'essentiel, la même sensibilité qu'en mode continu. Parmi les applications courantes, citons les liaisons de télécommunications hyperfréquences et les structures radars.
Il est à noter que la forme non carrée de la réponse en fréquence à la figure 9b conduit à une oscillation importante dans sa réponse temporelle correspondante. Ce type de détecteur devrait donc ne pas convenir pour des applications temporelles. De la même manière, les utilisateurs fréquenciels devraient être déçus par un détecteur temporel dont la sensibilité chute naturellement de 3 dB à hautes fréquences comme montré à la figure 8b.
La largeur d'impulsion nominale pour ces détecteurs pourrait être spécifiée en 15 ps pour ces deux produits. C'est cependant la forme de la réponse temporelle ou de la réponse en fréquence qui détermine son utilité pour une application particulière. Il est à noter que la largeur d'impulsion est en fait une mesure de comparaison précise uniquement pour les détecteurs temporels lorsque la forme d'onde n'est pas perturbée et lorsque les formes d'impulsion sont les mêmes.

On utilise plusieurs termes pour décrire la bande passante (largeur de bande) d'un photodétecteur, les deux plus fréquents, à savoir la « bande passante optique » et la « bande passante électrique », ont cependant aussi tendance à être trompeurs et à semer une certaine confusion dans la comparaison des détecteurs. Essayons de clarifier cette nomenclature en décrivant une technique pour mesurer la bande passante.
Un photodétecteur est un dispositif qui convertit une puissance optique (mW) en un courant électrique (mA). C'est pourquoi sa sensibilité en réponse est spécifiée en ampère/watt. Les détecteurs rapides sont simplement conçus pour réaliser la conversion optique-électrique extrêmement rapidement de sorte que lorsqu'une impulsion de lumière courte arrive, le détecteur produit une réplique exacte de l'entrée sous forme d'une impulsion de courant à la sortie. La vitesse du détecteur est déterminée par l'impulsion de courant la plus courte pouvant être délivrée à la sortie.
On peut déterminer la vitesse d'un détecteur d'impulsions courtes en appliquant une impulsion optique extrêmement courte à l'entrée et en mesurant la durée de l'impulsion de courant produite à la sortie. L'impulsion délivrée est injectée dans une résistance de la charge (généralement 50 W) pour générer une impulsion de tension pouvant être affichée et mesurée sur un oscilloscope. La durée de l'impulsion est déterminée à ce niveau.
La réponse en fréquence peut être déterminée à partir de l'impulsion de tension en la soumettant à une transformation mathématique pour obtenir un spectre de tension montrant comment la réponse se coupe à fréquences plus élevées (voir figure 10). La bande passante du détecteur est ainsi définie comme étant la fréquence à laquelle la réponse chute à 50 % de sa valeur en courant continu. Sur une échelle logarithmique, ceci correspond au point –3 dB du spectre de tension et c'est ce qu'on appelle la bande passante en tension. C'est cette même mesure de la bande passante que d'autres fabricants dénomment bande passante optique.

Bande passante « Puissance » = Bande passante « Electrique »

Dans les applications hyperfréquences analogiques, la réponse en fréquence d'un photodétecteur est souvent mesurée en utilisant un puissancemètre hyperfréquence qui fournit une indication proportionnelle au carré de la tension de sortie et qui aboutit donc à un spectre de puissance (voir figure 10). Dans ce cas, la bande passante est définie comme étant le point où la puissance de sortie chute de 50 % par rapport à sa valeur en courant continu. Sur une échelle logarithmique, ceci correspond à nouveau au point –3 dB du spectre de puissance et c'est ce qu'on appelle la bande passante en puissance. Historiquement, ceci était aussi appelé bande passante électrique en dépit de la confusion générée par le fait que la tension et la puissance sont deux termes électriques.

“Bande passante “Puissance” = Bande passante “Electrique”

Les détecteurs rapides de Newport sont spécifiés par la bande passante en tension et en puissance de façon à éviter toute confusion. La figure 10 montre la relation entre les spectres de tension et de puissance. Le spectre de puissance évolue simplement suivant le carré du spectre de tension car la puissance est proportionnelle au carré de la tension. Sur une échelle logarithmique, cette relation quadratique apparaît comme une différence en décibels de facteur deux (dB). Vous voyez donc que lorsque le spectre de tension a chuté à son point –3 dB, le spectre de puissance correspondant a chuté à son point –6 dB exactement à la même fréquence.
Mathématiquement, cela donne :
Bande passante en tension à –3 dB = Bande passante en puissance à –6 dB
Il en résulte que, en comparant des détecteurs, il faut s'assurer que l'on compare bien des pommes avec des pommes, ou dans le cas de détecteurs, les mêmes mesures de bande passante. Pour la plupart des détecteurs, la bande passante en tension est toujours supérieure à la bande passante en puissance, bien que la relation exacte dépende dans une large mesure de la forme des courbes de réponse spécifiques aux détecteurs.
D'une manière générale :
Bande passante en tension à –3 dB > Bande passante en puissance à –3 dB

Newport Family of Brands