Utilisateur:Démosthène/Brouillons/Détection équilibrée

Détecteur équilibré utilisé sur un Lidar hétérodyne cohérent.

En optique, la détection équilibrée est un moyen de détection complémentaire à la détection simple permettant de s'affranchir du bruit d'intensité relative. Un détecteur équilibré est composé de deux photodiodes identiques mesurant chacune exactement la moitié du signal lumineux. Leur réponses sont ensuite soustraites l'une de l'autre, permettant à la fois de supprimer le bruit d'intensité et de détecter de très faibles fluctuations de signal en supprimant la composante continue. La détection équilibrée est principalement utilisée au laboratoire pour des montages imposant un grand rapport signal à bruit. Ce type de détection est très courant dans les montages de tomographie, de détection d'impulsions courtes (laser femtoseconde) et de LIDARs.

Principe

Dans le cas le plus simple, les deux photodiodes sont reliées de telle manière à ce que leur composante continues s’annulent. Si les puissances lumineuses reçues par les photodiodes sont rigoureusement égales, la réponse du détecteur sera centrée en zéro. Si l’une des puissance varie, la détection devient «déséquilibrée» et on observe ces fluctuation en sortie de montage. Pour éviter de devoir calibrer l’équilibre des voies, il existe des détecteur autocalibrés qui utilisent une boucle de retour filtrée passe-bas.

Utilisation pour caractériser les bruits

En général, un montage optique présente plusieurs sources de bruit: le bruit de photon, le bruit intrinsèque, le bruit thermique et le bruit d'intensité relative. Lorsqu'on fait une détection simple, tous ces bruits sont mélangés. Pour déterminer chacun des bruits, on peut faire varier les paramètres qui les causent, mais cela n'est pas toujours possible, en particulier pour le bruit d'intensité.

Par exemple, pour une source laser détectée par une photodiode simple, on aurait pour le bruit:

$\langle i_{\text{B}}^{2}\rangle _{\text{Simple}}=2eSPB+(S\times NEP)^{2}B+{\frac {4k_{B}T}{Z}}B+10^{0,1\times RIN}S^{2}P^{2}B$

(Avec $e=1,6\times 10^{-19}$ C, $S$ la sensibilité du détecteur (en ampère par watt), $B$ la bande passante deu détecteur (en hertz), $k_{B}$ la constante de Planck (en joule par kelvin), $T$ la température en kelvin, $Z$ la résistance qui charge le détecteur (en Ohm) et $RIN$ le bruit d'intensité (Relative Intensity Noise)).

Le principe de la détection équilibrée est d'aligner deux détecteurs identiques, de leur envoyer le même signal et de soustraire leur réponse. Si le signal est bel et bien équilibré (on envoie exactement la moitié du signal optique sur chaque détecteur) alors on supprime le bruit de RIN.

Sur la même base que le bruit présenté précédemment, on obtient alors une réponse du détecteur équilibré:

$\langle i_{\text{B}}^{2}\rangle _{\text{Equilibrée}}=2\times 2eSPB+2\times \left((S\times NEP)^{2}B+{\frac {4k_{B}T}{Z}}B\right)$

En calculant $2\times \langle i_{\text{B}}^{2}\rangle _{\text{Simple}}-\langle i_{\text{B}}^{2}\rangle _{\text{Equilibrée}}$ on peut isoler le bruit d'intensité. Ainsi, faire des mesures en utilisant tour à tour chaque détecteur permet de s'affranchir du bruit de RIN et donc de connaître les autres.

En pratique, pour assurer un bon fonctionnement, les deux photodiodes doivent être parfaitement identiques (si les réponses sont différentes, alors toute l'étude est faussée). Les détecteurs balancés sont donc généralement vendus tout intégrés, le constructeur se portant garant de l'identité des réponses des deux capteurs.