Une détection de photons à la pointe de la technologie grâce aux capteurs de Broadcom

La détection des photons permet aux dispositifs de percevoir ce qui est normalement invisible, ouvrant la voie à des applications révolutionnaires dans les domaines de la sécurité automobile, de l'imagerie médicale, de la robotique et de l'automatisation industrielle. La détection de photons individuels permet de détecter en temps réel des signaux infimes, offrant ainsi des possibilités allant de la mesure précise de distances à la détection précoce de maladies.

Inventés dans les années 1930, les tubes photomultiplicateurs (PMT) étaient la référence en matière de détection des photons, mais leurs tubes à vide en verre fragiles étaient trop volumineux et difficiles à intégrer dans des applications clés telles que les voitures, les drones, les équipements portatifs ou les appareils grand public.  Les photodiodes à avalanche à semi-conducteurs (APD) sont plus pratiques, mais n'ont pas la sensibilité des tubes PMT.

Lorsque les concepteurs de produits ont besoin d'une alternative à l'échelle d'une puce qui allie la sensibilité d'un tube PMT et la praticité d'une photodiode APD, ils peuvent se tourner vers les photomultiplicateurs au silicium (SiPM), la nouvelle génération de détecteurs de photons. La gamme AFBR‑S4 de SiPM de Broadcom offre une détection photonique de pointe sous une forme que les concepteurs peuvent facilement intégrer dans les systèmes LiDAR, les scanners médicaux, les capteurs industriels ou d'autres applications très demandées.

La lumière au service de l'innovation

La lumière peut transmettre des informations cruciales telles que la distance, le mouvement, la chimie et le rayonnement à travers chaque photon. La détection de ces photons, en particulier lorsqu'ils sont rares ou arrivent instantanément, permet le développement de technologies telles que le LiDAR dans les voitures autonomes, les scanners médicaux avancés et les capteurs industriels ultraprécis.

Les photons sont incroyablement petits et fugaces, ce qui pose un défi particulier. Il faut donc des détecteurs spécialisés capables de les capter et de les amplifier afin d'obtenir un signal exploitable. Les tubes PMT convertissent un photon unique en électron, l'amplifiant à l'aide d'électrodes dans un tube à vide afin de produire une impulsion électrique mesurable. Bien que sensibles et peu bruyants, ils ne s'intègrent pas facilement dans les systèmes compacts modernes.

Les APD constituent une alternative plus pratique à semi-conducteurs qui amplifie les photons grâce à un processus d'avalanche interne dans une diode au silicium, pour une solution plus compacte et plus rapide. Cependant, ils ont du mal à détecter de manière fiable les photons individuels dans des conditions de très faible luminosité, de sorte qu'une lumière faible produit un signal tout aussi faible.

Les SiPM détectent les photons individuels de la même manière qu'un PMT, mais dans une puce compacte, à basse tension et robuste qui permet de mesurer instantanément même la lumière la plus faible. Ils sont constitués d'une matrice de minuscules microcellules, chacune fonctionnant en mode Geiger, de sorte qu'un seul photon produit une impulsion électrique complète et uniforme.

Chaque microcellule fonctionne en quelque sorte comme un interrupteur numérique qui s'active dès qu'elle capte un photon. Après le déclenchement, la cellule se réinitialise et est prête pour le photon suivant, ce qui permet à un capteur composé de milliers de cellules fonctionnant ensemble de compter les photons individuels et de traiter des signaux lumineux plus intenses.

Détection compacte et hautes performances des photons

La gamme AFBR‑S4 de SiPM de Broadcom combine une sensibilité aux photons individuels, une synchronisation rapide et des performances robustes dans un boîtier compact et pratique afin de simplifier l'intégration de la détection avancée de la lumière dans les produits prêts à être commercialisés.

Le kit d'évaluation AFBR‑S4E001 de Broadcom (Figure 1) peut aider les concepteurs de produits à commercialiser rapidement des applications basées sur la technologie SiPM. Il offre une plateforme prête à l'emploi pour tester, prototyper et intégrer les capteurs AFBR‑S4 sans avoir à concevoir de circuits personnalisés. Cela réduit les risques liés au développement, en permettant une itération à la fois sur le matériel et les logiciels avant de s'engager dans des implémentations de circuits imprimés personnalisés ou des conceptions destinées à la production.

Figure 1 : Le kit d'évaluation AFBR‑S4E001 comprend un composant SiPM de milieu de gamme et une carte préamplificateur avec deux sorties de 50 Ω. (Source de l'image : Broadcom Limited)

Le kit d'évaluation comprend un logiciel d'accompagnement et des conceptions de référence, afin que les ingénieurs puissent étudier le comportement au niveau du système, valider les stratégies de couplage optique et tester différentes configurations de matrices. Les concepteurs peuvent connecter la matrice SiPM à des interfaces standard, tester différentes tensions de polarisation et mesurer des paramètres de performance clés tels que le rendement de détection des photons, la synchronisation et le bruit dans des conditions réelles.

Les concepteurs peuvent également tirer parti des formats flexibles de la série AFBR‑S4, notamment :

Le modèle AFBR-S4N22P014M (Figure 2) constitue une option très compacte avec 2464 microcellules par élément de sortie dans une zone de matrice active de 2 mm² pour les applications à espace restreint telles que les scanners portatifs ou les modules de pare-chocs de voiture.

Figure 2 : Le modèle AFBR-S4N22P014M offre une option SiPM compacte pour les applications où l'espace est limité et peut être disposé en mosaïque pour couvrir des zones plus étendues. (Source de l'image : Broadcom Limited)

Le modèle AFBR-S4N44P014M (Figure 3) augmente le nombre de microcellules à 8334 dans une zone de matrice active de 13,47 mm² pour une capacité de comptage de photons supérieure et une meilleure sensibilité. Il s'agit d'une option polyvalente pour des applications telles que les LiDAR à faible encombrement, l'imagerie médicale et les capteurs industriels.

Figure 3: Le modèle SiPM AFBR-S4N44PP014M se situe dans le milieu de gamme de la famille de produits de Broadcom. L'un de ces capteurs est inclus dans le kit d'évaluation AFBR‑S4E001. (Source de l'image : Broadcom Limited)

Le modèle AFBR-S4N66P014M (Figure 4) va encore plus loin, avec 22 428 microcellules dans une matrice active de 36 mm² qui optimise le rendement de détection des photons et le rapport signal/bruit. Il convient aux applications qui exigent à la fois une sensibilité élevée et une surface de détection plus grande, telles que l'imagerie médicale avancée et les systèmes LiDAR à longue portée pour l'industrie automobile ou la cartographie 3D.

Figure 4 : Le modèle AFBR-S4N66P014M est le membre le plus grand de la gamme de Broadcom et permet la capture de photons à longue portée et haute résolution. (Source de l'image : Broadcom Limited)

Broadcom a conçu ces dispositifs afin de minimiser les comptes sombres, la diaphonie et les impulsions résiduelles, garantissant ainsi la pureté des signaux même dans des environnements difficiles.

Conclusion

Les SiPM AFBR-S4 de Broadcom permettent aux concepteurs d'intégrer une détection lumineuse hautes performances dans diverses applications, telles que les systèmes LiDAR automobiles et l'imagerie médicale. La série AFBR‑S4 propose des variantes petites, moyennes et grandes, ainsi que le kit d'évaluation AFBR‑S4E001 pour un prototypage rapide. Ainsi, les concepteurs peuvent optimiser la sensibilité, la vitesse et l'encombrement afin d'innover sur les marchés où une détection précise de la lumière est cruciale.