Visa du Chercheur sur le comptage des photons uniques pour les applications spatiales

Quantum single photon counting for space applications

• Auteur / Autrice : Joanna Krynski
• Direction : Vincent Goiffon, Cédric Virmontois
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Photonique et Systèmes Optoélectroniques
• Date : Inscription en doctorat le 16/03/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISAE-ONERA OLIMPES Optronique, Laser, Imagerie Physique et Environnement Spatial
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : ISAE/DEOS/GEET Département Electronique Optronique Signal

Mots clés

Mots clés libres

Détection de photons

Capteurs d'images

Photomultiplicateur à silicium

Photodiode à avalanche

Single Photon Detection

CMOS Image Sensors

SPADs

SiPM

Quanta Image Sensors

Résumé

Le comptage des photons uniques représente le défi ultime pour de nombreuses applications spatiales et terrestres telles que la vision nocturne, la microscopie, les sciences de la vie et l'imagerie médicale. Les technologies traditionnelles utilisent des détecteurs amplifiés, soit des dispositifs à base de photocathodes (tubes intensificateurs d'image, ICMOS, EBCMOS), soit des dispositifs à semi-conducteurs (EMCCD), qui fonctionnent généralement à des tensions élevées. De plus, à l'exception des détecteurs EMCDD, les matériaux des photocathodes présentent une efficacité quantique (QE) plus faible. L'approche des détecteurs à semi-conducteurs reste donc l'objectif principal en raison de leur potentiel de haute QE. Aujourd'hui, les capteurs d'image quantiques (QIS) ont été identifiés comme une technologie révolutionnaire combinant tous les avantages : des pixels de petite taille avec un facteur de remplissage élevé, un fonctionnement à basse tension, une détection précise du niveau de photons et un comptage grâce à leur facteur de conversion élevé de charge en tension (CVF). Les capteurs QIS seront comparés à des capteurs d'imagerie à résolution temporelle tels que les matrices SPAD. Objectifs : Les objectifs de la thèse sont les suivants : Développement de bancs d'essai Caractérisation des détecteurs QIS Caractérisation des matrices SPAD Test d'irradiation des détecteurs QIS et des matrices SPAD Compréhension et modélisation de la dégradation des performances par rapport à l'irradiation Simulation pour des missions spatiales réelles. Ces activités seront réalisées en collaboration avec le CERN (fournisseur d'accélérateurs de particules) et le FBK (fournisseur de dispositifs) et seront basées au CNES (à l'exception du test d'irradiation).

Single photon counting is the ultimate challenge to reach for many space applications and ground applications: night vision, microscopy, life science, medical imaging Traditional technologies use amplified detectors either photocathodes based devices (Image intensifier tubes, ICMOS, EBCMOS), or solid state devices (EMCCD), which are usually operating at high voltages. Moreover, except EMCDD detectors, photocathodes material suffers from lower quantum efficiency (QE). The solid-state detectors approach then remains the main target due to their high QE potentiality. Nowadays Quantum Image Sensor (QIS) have been identified as the disruptive technology combining all advantages: small pixels with high fill factor, low voltage operation, accurate photon level detection and counting thanks to its high Charge-to-Voltage conversion Factor (CVF). QIS sensors will be compared to time resolved imaging sensors such as SPAD arrays. Objectives: The objectives of the thesis are: * Test benches development * Characterization of QIS detectors * Characterization of SPAD arrays * Irradiation test of QIS and SPAD arrays * Understanding & Modeling of performances degradation versus irradiation * Simulation for real space missions. These activities will be done in collaboration with CERN (particule accelerator provider) and FBK (device provider) and will be located at CNES (except for irradiation test).