15W pulsed laser experiments

RECEPTEUR A PHOTODIODE PIN

 
 

RECEPTEUR A PHOTODIODES PIN.

 

Comme pour l’émetteur, un récepteur laser requière un support orientable particulièrement précis et stable. Le principe de réception consiste à faire converger le maximum de rayonnement sur un photo détecteur au moyen d’une grosse lentille ou d’un miroir parabolique. Ce capteur qui doit être le plus sensible possible assure la conversion directe de l’énergie reçue sous la forme d’un courant modulé. Ce signal peut alors être traité par une chaîne d’étages amplificateurs à très faible bruit.  Les photodiodes courantes sont constituées de couches minces de semi-conducteurs exposées à la lumière. Le dopage des ces couches par des impuretés particulières permet une circulation de courant par recombinaison de charges préalablement dissociées grâce à l’apport d’énergie lumineuse. Il est à noter que le photo courant ainsi créé circule en sens inverse du sens de conduction normal direct des diodes. Une photodiode PIN est une photodiode en silicium, indium/gallium ou germanium, possédant une mince couche supplémentaire de semi conducteur pur (non dopé) entre les couches P et N. Cette couche intermédiaire augmente considérablement la mobilité des charges et par voie de conséquence la vitesse et le rendement quantique. Dans ce type de composant moins de deux photons suffisent statistiquement à mettre en mouvement une paire électron trou (-) (+). Ces photodiodes, surtout pour les modèles au silicium, possèdent une résistance inverse énorme dans l’obscurité. Pour des signaux très faibles elles se comportent à la manière d’une faible source de courant placée en parallèle avec une résistance interne "R shunt" de plusieurs giga ohms (1 Gohm = 10^9 ohms) et une capacité "Cj" de quelques pF à quelques dizaines de pF.

 

figb

 

 

Deux sources principales de bruit sont susceptibles de réduire la sensibilité :

 

1° Le bruit Thermique ou « Thermal Johnson noise »

 

Il dépend de la température d’une résistance équivalente composée de la résistance interne de la diode (Rshunt)  en parallèle sur une résistance de  charge qui peut être pour partie la résistance d’entrée de l’amplificateur : On peut nommer cette résistance « Rshunt//Rint ». C’est le bruit principal en mode photovoltaïque c'est-à-dire sans polarisation inverse appliquée aux bornes de la photodiode qui fonctionne ainsi en photopile. Il est créé par l’agitation thermique. Il augmente seulement comme la racine carrée de la valeur de cette résistance. Ce courant thermique est donné par la relation 1.

 

brth1

 

Relation 1

 

 

La tension de bruit correspondante est   Vnoise = in.Rshunt//Rint  
Donc en réduisant on trouve que:
Vnoise = 2 ²v- (Rshunt//Rint .k.T.delta f )
Alors que Vutile = Rshunt//Rint.iphotoélectrique

 

Avec:

Vnoise  = tension de bruit

Vutile  = tension de signal utile

in Rshunt//Rint  = courant de bruit  thermique créé dans Rshunt//Rint  

k = constante de Boltzmann, 1,38 x 10^23 J K^-1

T = Température en degrés Kelvin (K)

delta f  = Largeur de bande (Hertz)

Rshunt//Rint = Résistance de la diode Rshunt ramenée en parallèle sur sa charge ou la résistance d’entrée de l’ampli.

iphotoélectrique = courant photo électrique créé uniquement par le signal optique reçu

La tension utile du signal varie donc comme Rshunt//Rint  alors que le bruit varie comme la racine carrée de  Rshunt//Rint. Le rapport signal / bruit s’améliore donc comme la racine carrée de la résistance totale équivalente chargeant la diode PIN.

 

 

figa

 

Structure typique d'une photodiode PIN

 

 

figc

 

Plages de longueurs d'ondes détectées suivant les semi-conducteurs employés.

 

 

2° Le bruit de grenaille ou « Shot noise ».

 

Effet indirecte du courant d’obscurité et du photo courant dans la photodiode PIN, il est créé par la discontinuité quantique du flux des charges et de leurs recombinaison dans la jonction. Dans nos projets il dépendra surtout du courant d’obscurité en mode photoconducteur (polarisation inverse) de la diode PIN. Pour de faibles tensions inverses et par très faible lumière son effet peut être négligé.

 

 

LE RECEPTEUR DE K3PGP.

Le plus sensible pour des QSO nocturnes en modulation d'amplitude.

 

LE RX de K3PGP : UN ELECTROMETRE AMPLIFICATEUR A TRES FAIBLE BRUIT.

 

Dans ce type de montage on cherche à mettre en évidence des signaux noyés dans le courant d’obscurité de la photodiode. Cela revient à détecter des niveaux de l’ordre du dixième de picoampères! Pour réaliser cet exploit on fait appel à une résistance énorme en série avec la diode pour disposer d’une tension significative située au-dessus du bruit d’un transistor FET. Comme ces résistances sont rares et chères et que leurs grandes dimensions augmenteraient les capacités parasites, K3PGP a eut l’idée d’utiliser directement comme charge la résistance interne inverse porte/drain d’un transistor à effet de champ. Si l’on refroidit le montage avec quelques précautions en le maintenant au sec à l’intérieur d’un bon blindage on parvient à une sensibilité extraordinaire. Avec F1CDT nous utilisions souvent ce montage. Nous avions constaté que lorsque la température descendait assez bas on pouvait encore bien recevoir une source laser dans le rouge totalement invisible même dans des bonnes jumelles. Ce récepteur est adapté aux essais nocturnes en altitude par temps très froid et sec. Le calcul montre qu’avec des optiques de plus de 10 cm de diamètre, une diode laser de 5 mW pourrait bien être reçut à plus de 300 km avec ce récepteur. La bande passante permet juste la téléphonie à condition d’accentuer les aigus et de rejeter les bruits TBF dans les chaînes audio Tx et Rx. Associé à un PC il permet de capter facilement des signaux réfléchis sur les nuages par traitement FFTDSP sur une émission laser modulée entre 10 et 100 Hz par exemple. L’excellent programme « JASON » de I2PHD permet d’échanger des messages sous 75 Hz avec ce système.

 

Note importante:

Le schéma de base de K3PGP est représenté ci-dessous. La photodiode peut être une PIN BPW34 de WISHAY TELEFUNKEN ou mieux une OSD1-5T de CENTRONIC. La connexion entre la cathode de la photodiode et la porte du 2N3819 doit être courte, éloignée de la masse de plus de 5 mm et en l’air donc sans aucun support isolant! Un petit boîtier métallique muni de traversées de sortie et d’alimentation enferme soigneusement l’ensemble. Une ouverture de 6 mm de diamètre conduit la lumière sur la partie sensible de la diode disposée à au moins 8 mm en arrière de cet orifice.

 

 

figg

 

 

 

Ce que l'on peut faire de mieux sur ce principe :

Cette version qui utilise des composants modernes est encore plus sensible.
Il est difficile de gagner encore au niveau du rapport signal sur bruit.
La bande passante utilisable dépend de la capacité des photodiodes utilisées.

Avec une BPW34, OSD1-5T et SFH229 on a respectivement environ 400 Hz, 800 Hz et 1600 Hz.

 

On peut pousser la sensibilité encore plus loin avec une photodiode HAMAMATSU silicium à résistance interne gigantesque: la S1087 (Rshunt typique 250 GigaOhms !) et un un FET 2N5457. Dans ce cette configuration le récepteur deviendra très lent (< 100 Hz)

En revanche, même avec ces très basses fréquences, un programme comme Jason sous 75 Hz permettra d'échanger des messages malgré des signaux extrêmement faibles.

  

 

rcvRk          rcvrk2

 

Rx K3PGP avec miroir sphérique de 25 cm, ampli BF et filtres.

Le miroir est un modèle grossissant de salle de bain. (source BHV)
Le tube optique est en contreplaqué.

 

 

 

 




Créé avec Créer un site
Créer un site gratuitement