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Aujourd'hui, je vais vous parler de ce qui se passe à l'autre extrémité d'une liaison fibre optique : les détecteurs. Les détecteurs optiques , comme leur nom l'indique, détectent la quantité de lumière reçue. Nos yeux sont eux-mêmes des détecteurs : la rétine capte les informations lumineuses et les transmet à notre cerveau. Dans le spectre de la lumière visible, nos yeux sont d'excellents détecteurs pour repérer les ruptures de fibre ou les fuites de lumière. Cependant, la plupart des fibres fonctionnent dans le spectre invisible, là où l'œil humain ne peut pas voir. C'est là qu'interviennent les détecteurs optiques.
effet photoélectrique
Il est impossible d'expliquer le fonctionnement des détecteurs optiques sans mentionner l'effet photoélectrique.
Ce phénomène a été observé pour la première fois par le scientifique allemand Heinrich Hertz, qui publia ensuite ses observations. C'est Albert Einstein qui, plus tard, étudia cet effet et quantifia l'énergie lumineuse discrète sous forme de photons dans l'un de ses articles les plus célèbres, qui lui valut le prix Nobel en 1921. Les photodiodes à vide et les photomultiplicateurs exploitent cette technologie et peuvent reconvertir le signal lumineux en signal électrique. Un paramètre essentiel pour caractériser un détecteur est sa responsivité. Il s'agit du rapport entre le courant électrique de sortie et la puissance optique d'entrée, exprimé en ampères par watt (A/W).
Au final, nous comparerons la sensibilité des différents détecteurs et choisirons judicieusement en fonction de chaque application.
Photodiode à vide et photomultiplicateur
Une photodiode à vide (ou tube photoélectrique) est principalement composée d'une cathode et d'une anode. Lorsque la cathode détecte des photons, des électrons sont émis par effet photoélectrique, et un courant circule dans le circuit car les électrons sont attirés par l'anode. Le schéma suivant illustre le fonctionnement d'une photodiode à vide².
L'inconvénient d'un tube à vide est son encombrement important et son fonctionnement dans une gamme de longueurs d'onde inférieure à celle requise pour les communications par fibre optique. De plus, son alimentation nécessite une tension élevée. La sensibilité typique d'une photodiode à vide est de l'ordre du mA/W.
Le photomultiplicateur, quant à lui, fonctionne plus efficacement grâce à son mécanisme de gain intégré. Outre l'anode et la cathode, il comporte également des dynodes en série pour accélérer les électrons. L'illustration suivante présente le circuit simplifié d'un photomultiplicateur³.
Tout comme dans un tube à vide, des électrons sont émis après l'absorption de photons par la cathode. Cependant, ces électrons sont attirés par des dynodes intermédiaires à très haute tension. L'avantage des dynodes réside dans leur capacité à générer plusieurs électrons lorsqu'un seul est attiré. Ce phénomène, appelé émission secondaire, est dû à la forte énergie cinétique des électrons. Chaque électron, après avoir heurté une dynode, se multiplie en série, amplifiant ainsi le signal électrique.
Le gain de chaque dynode est d'environ 5. Ainsi, si le tube comporte 3 dynodes, l'augmentation totale sera de 125 (5 x 5 x 5). En réalité, chaque photomultiplicateur contient généralement de 5 à 10 dynodes, ce qui porte le gain réel à plusieurs millions. Les tubes photomultiplicateurs sont rapides, mais consomment plusieurs centaines de volts pour alimenter chaque dynode. Ils sont lourds et volumineux, presque de la taille d'une grenade à main⁴. Malheureusement, les photomultiplicateurs ne sont pas adaptés aux communications par fibre optique.
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