Brevet FR2470481A1 — publié le 19810529

DISPOSITIF PHOTODETECTEUR NOTAMMENT POUR CHANEEUR DE FREQUENCE ET ECHANTILLONNEUR La pressente invention concerne un dispositif photodétecteur notam.lent polar changeur de fréquence et échantillonneur, Elle a trait, plus particulièrement, à un dispositif photodétecteur comprenant un lement photosensible à jonction recevant mi signal lumineux à une première fréquence et une charge active en scorie avec l'élément photosensible On se réfère, dans la présente description, à l'application particulière d'un photodétecteur recevant un signal informatif lur,lineux transmis par une voie de communication à fibre optique Un tel photodétecteur comporte de préférence,en tant qu'élément photosensible à jonction, une photodiode à avalanche Ces photodiodes à avalanche sont généralement employées, au détri- ment des photodiodes classiques PIN, parce qu'elles prosentent un rapport slgnal sur bruit élevé grâce à leur facteur de multiplication élevé. Le facteur de multiplication d'une photodiode à avalanche dépend de la valeur de sa tension de polarisation inverse. Il est connu de maintenir constant ou de faire varier lentement la tension de polarisation en vue de maintenir le facteur de multiplication constant lorsque la température varie ou en vue de commander automatiquement le facteur de multiplication, c'est-à-dire le gain intrinsèque de la photodiode à à avalanche; Dans ces deux cas, les variations de la tension inverse de polarisation sont lentes et ne sont pas corrélées avec les variations instantanées du signal lumineux incident. Par ailleurs, la charge de la photodiode à avalanche est généralement un circuit actif, tel que l'impédance d'entrée d'un a#plificateur. La sensibilité de l'ensemble photodiode amplificateur dépend principalement de la puissance de bruit de l'ampMicateur. En effet, la puissance incidente du signal lumineux reçu à travers la voie de communication est en pratique faible et, par suite, la puissance de bruit dela photodiode à avalanche est inférieure à celle de lamplificateur qui est constante etne dépend que de son facteur de bruit et de sa bande passante.Il en sulte que le rapport signal à bruit propre d'un signal lumineux de faible énergie est dégradé une première fois au cours de la conversion photoélectrique dans la photodiode à avalanche et une seconde fois par l'amplification de l'amplificateur. Si on considère le circuit équivalent d'un tel photodetecteur composé d'une photodiode à avalanche et d'un amplificateur ou charge active en série avec la photodiode, il est constitue par un générateur de courant, représentant principalement la photodiode, dont les bornes sont reliées à une résistance et à une capacité en parallèle. La résistance est celle d'entrée de l'amplificateur.O La capacité est égale à la somme de la capacité de jonction de la photodiode à avalanche, de la capacité d'entrée del'amplificateur et des capacités parasites de cabrage. Le rapport signal à bruit varie dans le même sens que la tension aux bornes desdites résistance et capacité de charge.Cette tension décroît lorsque la fréquence du signal lumineux incident augmente, à cause de la capacité, En d'autres termes, le rapport signal à bruit varie dans le sens contraire à la fréquence. Aussi, la dégradation du rapport signal à bruit due à l'amplificateur provient particulièrement de sa mauvaise adaptation d'impédance par rapport à la photodiode à avalanche, notamment aux fréquences élevées. La fréquence élevée du signal lumineux indicent confère une impédance d'entrée faible de l'amplificateur et ne permet la transmission que d'une faible partie de l'énergie électrique fournie par la photodiode à avalanche vers 11 amplificateur. Il est alors nécessaire d'interconnecter entre la photodiode à avalanche, présentant une impédance de sortie élevée, et l'entrée de l'amplificateur, présentant une résistance dtentrée faible aux fréquences élevées, un adaptateur dtimpédance, tel que des circuits accordés à la bande de fréquence du signal utile, pour que l'impédance de charge de la photodiode soit élevée. Cette interconnexion supplémentaire rend sélective la réception des signaux. La présente invention a donc pour but de fournir un dispositif photodétecteur du genre décrit dcms Irentrée enmatièrel permettant de diminuer la dégradation du rapport signal à bruit provoquée par la charge active. A cette fin, mi dispositif photodétecteur conforme à l'invention est caractérise en ce qu'il comprend des moyens pour moduler la tension de polarisation inverse de l'élément photosensible à une seconde fréquence (F2) afin de transmettre à la charge active un signal électrique transposé à une troisième fréquence (F3) inférieure à la première fréquence (F1) selon la relation F2 = F1+ F30 La solution proposée est ainsi fondue sur la modulation par une seconde fréquence F2 de la tension de polarisation inverse de l'élément photo sensible à jonction Elle consiste à coîvertir au niveau de cet élément photosensible le signal lumineux périodique à la première fréquence F1 en un signal électrique périodique à une troisième fréquence F3 telle que F2 = F1 i F3. Le rapport signal à bruit du photodétecteur est augmenté en comparaison avec uji dispositif photodétecteur de l'art antérieur, puisque la fréquence de sortie F3 issue de la transposition en fréquence est très inférieure à F10 Le rapport signal à bruit est fonction du rapport z3/z1, où Z1 et Z3 sont les impédances de la charge respectivement aux fréquences F1 et F30 La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des dessins annexés, dans lesquels - la Fig. 1 représente le circuit électroiiique d'un dispositif photodétecteur conforme à l'invention ; et - la Fig. 2 est un diagramme montrant la variation du rapport signal à bruit du photodétecteur en fonction de la fréquence. Sur la Fig. 1, 1 désigne l'élément photosensible à jonction du photodétecteur, tel qu'une photodiode à avalanche illuminée par un signal périodique lumineux incident à une première fréquence F1, 2 désigne la charge active du ;photodétecteur et 3 les moyens de modulation par une seconde fréquence F2 de la tension de polarisation inverse de la photodiode 1 produisant un signal modulant à une troisième fréquence F3 nettement inférieure à F1, telle que F2 = F1 - F30 La photodiode à avalanche 1 a de préférence une structure P+xPN+ conforte à celles divulguées dans l'article de G.RIPOCHE et M.BRILMAN,iutitdé "Photodiode à avalanche au silicium à grande rapidité pour systèmes de communications optiques AGARD conférence Preprint N4 219, 1977o Ce type de photodiode à avalanche est principalement bien adapté à la photodétection de signaux lumineux dans la bande spectrale 800 à 900 nm où se situent la plupart des sources lumineuses utilisées dans les communications optiques et propres aux qpplications partirrie'res énoncées plus loin. Sur la Fig. 1, on voit classiquement que la photodiode à avalanche 1 est polarisée à une tension inverse négative V1 à travers une résistance de polarisation 4 et a son autre borne reliée à la charg# active 20 Cette charge actjve 2 estpar exemple, comme illustré, oonstituée par un amplificateur 20 dont la résistance d'entrée 21 est interconnectée entre le potentiel de référence ou terre et la photodiode à avalanche 1. Elle peut entre également constituée par un appareil de mesure. Les moyens de modulation 3 selon la réalisation illustrée comprennent un générateur 30 de signal modulant à la fréquence F2 et un amplificateur de tension 31. L'amplificateur 31 est pourvu classiquement d'un transistor du type NPN 32, monté en base commune et fonctionnant en classe A. Sa résistance de base 33 est découplée par un condensateur 34 renié au potentiel de référence. Le signal modulant à la fréquence F2 est transmis par le générateur 30 à travers un condensateur de liaison 35 vers le point de connexion commun àl'émetteur du transistor 32 et au pont de polarisation à résistance 36 et 37 de l'émetteur0 La résistance 36 est connectée entre l'émetteur et, au point de connexion commun à la base du transistor 32, la résistance 33 et la capacité 34.La résistance de polarisation 37 a son autre borne portée à une tension négative -V20 L'amplitude crête à crête maximale du signal modulant est ainsi commandée par la tension -V2 afin que l'amplitude du signal modulant et amplifié soit comprise dans la plage de fonctionnement de la photodiode 1. Le collecteur du transistor 32 constitue, à travers un condensateur de liaison 38,lasdiedel'amphicateur 31 et est.relié à une résistance de polarisation 39 dont l'autre borne est au potentiel de référence. L'autre borne du condensateur 38 est reliée à la résistance de polarisation 4 et la photodiode à avalanche 1. La tension négative -V1 permet de modifier l'amplitude de la composante continue du signal modulant à la fréquence F2. On a représenté à la Fig. 2 la variation du rapport, signal à bruit (S/B) au niveau de la charge active 2 en fonction de la fréquence On voit que le rapport signal bruit (S/B#pourle signal sortant à la fréquence transposée F3 est nettement plus grand que le rapport signal à bruit (S/B)1 à la fréquence F1 du signal incident lumineux0 Les applications de la présente invention sont nombreuses. Parmi celles-ci, on peut citer les suivantes : - fonctionnement du dispositif photodétecteur en porte-échantillonnage pour mesurer par exemple la liimière rétrodiffusée dans une fibre optique convoyant le aignai lumineux à la fréquence F le générateur 30 produit des impulsions à la fréquence F2 et l'amplificateur 31 peut fonctiDmler en classe C, auquel cas la résistance de base 33 est supprimée; des essais en laboratoire ont permis de montrer que le rapport signal à bruit est a#gmelité d'au moins 20 dB en comparaison avec les méthodes convedionneAes; - autre application particulière du fonctionnement en porteéchantillonnage : fonctionnement en détecteur synchrone pour lequel le signal impulsionnel à basse fréquence commande l'ouverture de la porte constituée par la photodiode 1 - fonctionnement du dispositif photodétecteur en changeur de fréquence : le générateur 30 produit, par exemple, un signal sinusoïdal à la seconde fréquence F2, ce qui permet, lorsque celle-ci correspond à la fréquence d'une porteuse d'un signal lumineux incident qui est issu du multiplexage en fréquence de plusieurs porteuses modulées, de détecter sélectivement chaque porteuse, c'est-à-dire chaque canal de distribution, En modifiant convenablement la fréquence F2; dans ce cas, le générateur 30 est un générateur à fréquence variable - complémentairement, la dernière application concernant un signal sinusoïdal modulant peut Qtre utilisée pour analyser le spectre en fréquence d'un signal lumineux incident. Bien que la description se soit référée à un exemple de réalisation, on notera que d'autres variantes sont possibles dans le cadre des revendications annexées. En particulier, l'élément photosensible à jonction peut être, outre une photodiode à avalanche du type P+nPN+ ou N P, une photodiode classique du type PIN Schottky ou Skockley, c'est-à-dire également un phototransistor ou un photothyristor. Dans chacun de ces cas, l'amplificateur de signal modulant est convenablement adapté à l'élément photosensible choisi. Revendications 1 - Dispositif photodétecteur comprenant un élément photo sensible à jonction (i) recevant un signal lumineux à une première fréquence (F1) et une charge active (2) en série avec l'élément photosensible, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (3) pour moduler la tension de polarisation inverse (-V1) de ltélément photosensible (1) à une seconde fréquence (F2) afin de transmetzen la charge active (2) un signal électrique transposé à une troisième fré quence (F3) inférieure à la première fréquence (F1) selon la relation F2 = F1 tF 2 - Dispositif photodétecteur conforme àlarevandoation 1, caractérisé en ce que l'élément photosensible à jonction est une photodiode à avalanche (i). 3 - Dispositif photodétecteur conforme à la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de modulation (3) comprennent un amplificateur de tension (31-) recevant un signal modulant à ladite seconde fréquence (F2) pour moduler la tension de polarisation inverse dudit élément photosensible (i) avec un signal dont l'amplitude crête à crête est comprise dans la plage de fonctionnement de l'élément photosensible. 4 - Dispositif photodétecteur conforme à la revendication 3, caractérisé en ce #uel'asplificateur de tension (3) comporte un transistor (32) monté en base commune. 5 - Dispositif photodétocteur conforme à l'une des reven dications 1 à 4, caractérisé en ce que le signal modulant à la seconde fréquence (F2) est un signal impulsionnel. 6 - Dispositif photodétecteur conforme auxrevedications3et5, caractérisé en ce que l'amplificateur de tension fonctionne en classe C. 7 - Dispositif photodétecteur conforme à l'une des reven dications 1 à-4, caractérisé en ce que le signal modulant à la seconde MMquence (F2) est un signal sinusoïdal. 8 - Dispositif photodétocteur conforme aux revendications 3 et 7, caractérisé on ce que l'amplificateur de tension fonctionne en classe A. 9 - Dispositif photodétecteur conforme à l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les moyens de modulation (3) comprennent un générateur (30) à seconde fréquence variable (F2).