Mise en œuvre des photodiodes de contrôle pour Advanced Virgo Arnaud Bellétoile

Motivations pour réaliser un nouveau système de détection Changement de process de fabrication chez Hamamatsu Les photodiodes de Virgo ne sont plus disponibles Problème de maintenance à long terme Besoins pour le système de détection AdV Les mêmes que pour Virgo Efficacité quantique, facilité d’utlisation (positionnement) InGaAs, diamètre 3 mm Bande passante un ordre supérieur fmod > 50 MHz Capacité parasite la plus faible possible Mise sous vide des photodiodes Encombrement réduit Puissance maximum admissible la plus haute possible

Sélection des photodiodes Revue des solutions commerciales Large Area InGaAs 7 fournisseurs contactés Peu ou pas de progrès en 15 ans Contact pris avec le CHREA Laboratoire CNRS spécialisé dans la croissance de matériaux semi-conducteurs Via l’équipe de Nice (problématiques similaires) Solutions hors budget et hors calendrier Trois modèles retenus Fermionics (x3) Perkin Elmer (x5) Judson (x2) A noter photodiodes eGTran pour Advanced LIGO Hamamatsu non retenu

Courant d’obscurité Détermination des caractéristiques Bruit additif Traceur de la qualité du matériau Mesure délicate Courants parasites ~ Idark Perkin Elmer Grande disparité des résultats pour un même modèle photodiode hors spé – retour fournisseur

Schéma électrique équivalent Mesures réalisées au LCR meter fmes = 1 MHz Capacités additionnelles en HF ? Capacité fct de la surface sensible réduite par la tension inverse Résistance série particulièrement faible sur la Judson (back ill) Estimation de la fréquence de coupure « idéale» PE: 93 MHz Fermionics: 41 MHz Judson: 468 MHz

Mesures de linéarité Variation de la puissance de la source Utilisation des préampli Virgo Tentative de mesure absolue 3 puissance-mètres ~10 % d’écart relatif Photodiode Virgo utilisée en réf. Efficacité quantique connue η = 97% Mesure? Mesure en relatif… 2 quantités déterminées Efficacité quantique Pente « Linéarité » Dispersion autour de la valeur attendue Entaché de l’erreur associée à la réf

Résultats linéarité Bonne reproductibilité des résultats d’un composant à l’autre Pas d’AR coating Couteux pour une première étape Amélioration de quelques % Judson faible efficacité quantique forte linéarité Dominé par erreur Ref? Fermionics efficacité surprenante mauvaise linéarité Effet en température ?

Bilan sur la caractérisation DC <η> <Linéarité> <Rs> <Cs> <Idark> Perkin Elmer 88 % 34 mV 8 Ω 190 pF -1 nA (-193) Fermionics 90 % 72 mV 13 Ω 300 pF -2.5 nA Judson 80 % 33 mV 2 Ω 170 pF -1.5 nA Mesures supplémentaires à réaliser en fin de test (destructives) Limite en puissance Suppression des interfaces optiques Variation de la température

Caractérisation AC Effet haute fréquence à caractériser schéma équivalent photodiode modifié Capacité supplémentaires ? Non linéarités modulation du signal à 2 fréquences  harmoniques à la réception ? Saturation à une forte puissance peu d’idée sur ces phénomènes en haute fréquence Signal optique modulé à 170 MHz difficile à réaliser Recherche d’une solution pour parcourir toute la bande de fréquence difficile à lire Besoin d’une première version du nouveau préampli Connaître le signal attendu sur chacun des ports Quelles fréquences ? Rapport signal à bruit ?

Modulation du faisceau optique Plusieurs solutions envisagées Utilisation de cellules de Pockels Solution utilisée pour AdV Difficultés à piloter Nécessité d’un circuit adapté pour chaque point en fréquence Difficile de monter plus haut que 80MHz Intéressant pour voir des effets à forte puissance Modulateur Acousto Optique Fmax ~ 60 MHz nécessité de focaliser fortement le faisceau Modulateur Electro Optique fibré Solution photline LiNbO3 Fmax = 250 MHz forte profondeur de modulation Puissance limité à ~ 20 mW en sortie Arrive cette après midi…

Premières simulations du préamplificateur Montage transimpédance Solution traditionnelle pour préamp Bande passante de 180 MHz ! Adapté à chaque photodiode Plusieurs solutions possibles Ampli non compensé (ci-contre) s’assurer de la stabilité ! Ampli compensé bande passante réduite mais stable Current feedback amplifier large bande mais bruité Itérations nécessaires Filtre éventuel en amont selon dynamique du signal Autre solution possible basée sur des transistors bipolaires bande passante plus facile à obtenir beaucoup plus long à développer

Dimensionnement du signal - 1

Dimensionnement du signal - 2 Les fréquences : f1 = 6 MHz, f2 = 81 MHz, f3 = 8 MHz Grande dynamique des signaux sur un même port Grande variation de la puissance entre les ports S’assurer que les signaux utiles sur chaque port ressortent bien du bruit… Suivre l’évolution du layout d’AdV Triple modulation de phase abandonnée ? ASYp XP SYM

Conclusions - Perspectives Lot de photodiodes caractérisé en DC Perkin Elmer ou Judson La caractérisation AC devrait permettre un choix définitif Avec préampli Virgo jusqu’à qq 10 MHz Avec nouveau préampli dès qu’il est prêt Accent mis sur le design du préampli Recherche d’une solution générique dans un premier temps Debug : stabilité, réponse en RF … Arrivée d’un renfort en CAO la semaine prochaine Seconde itération en utilisant les spectres AdV Stabilisés d’ici là Etapes suivantes Etude de la mise sous vide Carte démodulation