Introduction, type de comptage de photonsphotodétecteur à avalanche linéaire
La technologie de comptage de photons permet d'amplifier pleinement le signal photonique afin de surmonter le bruit de lecture des appareils électroniques et d'enregistrer le nombre de photons émis par le détecteur pendant une période donnée. Cette amplification repose sur la nature discrète du signal électrique de sortie du détecteur sous faible irradiation lumineuse et permet de calculer les informations relatives à la cible mesurée à partir de la valeur mesurée par le photomètre. Afin de réaliser la détection de lumière extrêmement faible, de nombreux instruments de détection de photons ont été étudiés dans différents pays. Une photodiode à avalanche à semi-conducteurs (photodétecteur APDUn détecteur à photodiode à avalanche (APD) est un dispositif qui exploite l'effet photoélectrique interne pour détecter les signaux lumineux. Comparés aux dispositifs à vide, les dispositifs à semi-conducteurs présentent des avantages considérables en termes de vitesse de réponse, de taux de bruit de fond, de consommation d'énergie, de volume et de sensibilité au champ magnétique, etc. Des scientifiques ont mené des recherches sur la technologie d'imagerie par comptage de photons des APD à semi-conducteurs.
Dispositif photodétecteur APDLa technologie d'imagerie par comptage de photons à diodes électroluminescentes (DEL) utilise principalement des dispositifs DEL en mode Geiger, possédant deux modes de fonctionnement : le mode Geiger (GM) et le mode linéaire (LM). Ces dispositifs offrent une sensibilité élevée, de l'ordre du photon unique, et une vitesse de réponse rapide (de l'ordre de la dizaine de nanosecondes), garantissant une grande précision temporelle. Cependant, les DEL en mode Geiger présentent certains inconvénients, tels qu'un temps mort du détecteur, une faible efficacité de détection, un grand nombre de mots croisés optiques et une faible résolution spatiale. Il est donc difficile d'optimiser le compromis entre un taux de détection élevé et un faible taux de fausses alarmes. Les compteurs de photons basés sur des dispositifs DEL HgCdTe à gain élevé et quasi silencieux fonctionnent en mode linéaire, sans temps mort ni diaphonie, sans post-impulsion (contrairement au mode Geiger), sans circuit d'extinction, avec une gamme dynamique ultra-élevée, une réponse spectrale large et ajustable, et permettent une optimisation indépendante de l'efficacité de détection et du taux de fausses alarmes. Elle ouvre un nouveau champ d'application pour l'imagerie par comptage de photons infrarouges, constitue une direction de développement importante pour les dispositifs de comptage de photons et offre de larges perspectives d'application dans l'observation astronomique, les communications en espace libre, l'imagerie active et passive, le suivi des franges, etc.
Principe du comptage de photons dans les dispositifs APD HgCdTe
Les photodétecteurs APD à base de HgCdTe couvrent une large gamme de longueurs d'onde et présentent des coefficients d'ionisation des électrons et des trous très différents (voir figure 1(a)). Ils présentent un mécanisme de multiplication par porteurs uniques dans la bande de coupure de 1,3 à 11 µm. Le bruit est quasi nul (comparé au facteur de bruit FSi d'environ 2 à 3 des APD en silicium et à FIII-V d'environ 4 à 5 des dispositifs de la famille III-V, voir figure 1(b)). Par conséquent, le rapport signal/bruit de ces dispositifs reste quasiment constant malgré l'augmentation du gain, ce qui en fait des photodétecteurs infrarouges idéaux.photodétecteur d'avalanche.
Figure 1 (a) Relation entre le rapport des coefficients d'ionisation par impact du tellurure de mercure-cadmium et la teneur en Cd (x) ; (b) Comparaison du facteur de bruit excessif F des dispositifs APD avec différents systèmes de matériaux
La technologie de comptage de photons est une nouvelle technologie qui permet d'extraire numériquement des signaux optiques du bruit thermique en résolvant les impulsions photoélectroniques générées par unphotodétecteurAprès réception d'un seul photon, le signal de faible luminosité étant plus dispersé temporellement, le signal électrique de sortie du détecteur est également discret et naturel. C'est pourquoi, pour détecter une lumière extrêmement faible, on utilise généralement des techniques d'amplification, de discrimination et de comptage numérique d'impulsions. La technologie moderne de comptage de photons présente de nombreux avantages : un rapport signal/bruit élevé, une discrimination élevée, une grande précision de mesure, une bonne résistance à la dérive, une excellente stabilité temporelle et la possibilité de transmettre les données à l'ordinateur sous forme de signal numérique pour une analyse et un traitement ultérieurs. Ces performances sont inégalées par les autres méthodes de détection. Actuellement, les systèmes de comptage de photons sont largement utilisés dans les domaines de la mesure industrielle et de la détection en faible luminosité, notamment en optique non linéaire, en biologie moléculaire, en spectroscopie à ultra-haute résolution, en photométrie astronomique et en mesure de la pollution atmosphérique, domaines qui nécessitent l'acquisition et la détection de signaux lumineux faibles. Le photodétecteur à avalanche au tellurure de mercure-cadmium ne présente pratiquement aucun bruit excessif ; lorsque le gain augmente, le rapport signal/bruit ne diminue pas, et il n’y a pas de temps mort ni de restriction post-impulsionnelle liés aux dispositifs à avalanche Geiger, ce qui le rend très adapté aux applications de comptage de photons et constitue une voie de développement importante pour les dispositifs de comptage de photons à l’avenir.
Date de publication : 14 janvier 2025