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98 Principes du comptage de photonsUn moyen d’obtenir un signal suffisamment amplifié dans des conditions moins contraignantesa récemment vu le jour (2000). Il s’agit des CCD à démultiplication de charge, lesLLLCCD (Low Light Level CCD ou L 3 CCD, Jerram et al. 2000 [60], Mackey & Tubbs 2001[78]), autrement dit, les CCD pour faibles niveaux de luminosité, développées principalementpar Marconi Applied Technologies 3 .Ces CCD ont l’avantage de pouvoir fonctionner dans différents modes, selon le gain appliquédans un registre de multiplication de charges électroniques. Sans aucun gain, le CCDopère en mode normal, et se comporte comme un CCD conventionnel.Lorsqu’on augmente le gain, les charges électroniques sont démultipliées de manière àaugmenter significativement le signal électronique avant son passage dans l’amplificateurde sortie, réduisant de fait la contribution du bruit relatif à ce dernier. Cependant dans ce mode,la statistique de la multiplication de charge est telle que la "détectivité" des photo-électronsprimaires (i.e. avant multiplication) est réduite par un facteur √ 2. On peut traduire cette pertede détectivité par une baisse d’efficacité quantique globale du CCD par le facteur mentionné.Enfin, dans un troisième mode, dit "à gain élevé" le bruit de lecture de l’amplificateur desortie devient presque complètement négligeable comparé au signal issu de la démultiplication.Ce dernier mode est particulièrement bien adapté aux faibles flux lumineux, puisque laperte d’efficacité mentionnée pour le second mode de fonctionnement et alors complètementrestituée. Par contre, il n’est pas possible de discriminer si plusieurs photons sont tombés surun même pixel pendant une pose élémentaire, car la statistique de multiplication des chargesne permet pas de remonter au flux incident. Ce problème devient significatif lorsque le flux dephotons devient trop important, c’est-à-dire lorsque en moyenne plus d’un photo-électron parpixel et par pose est créé.Dans ce mode dit en comptage de photons, la cryogénie devient capitale si on veut espérerse débarrasser du bruit thermique engendré lui aussi au niveau des pixels. La Figure6.4 montre la courbe du nombre d’électrons par pixel et par seconde en fonction de la température.Pour atteindre un niveau de bruit comparable aux détecteurs à comptage de photonsdéveloppé actuellement (∼10 -4 photons/pix/s à -20 ◦ C), il est nécessaire de refroidir le L 3 CCDà une température inférieure à -100 ◦ C, tout comme les CCD plus traditionnels.Les caractéristiques de fonctionnement de ces CCD sont très clairement décrites dans lesdeux articles mentionnés plus haut. Ces détecteurs promettent donc un développement radicaldans les prochaines années et on peut penser que l’instrumentation astronomique pourra entirer un très grand profit notamment pour les senseurs des Optiques Adaptatives, sans parlerbien sûr de leur utilisation comme capteurs scientifiques dont un exemplaire a déjà fait la démonstrationde son potentiel (Baldwin et al. 2001 [14]) avec un L 3 CCD de 512×512 pixels (de15 µm). On peut également espérer que les développements des L 3 CCD s’orientent vers descapteurs de grande dimension de plus en plus rapides (on évoque actuellement des capteursà 1000 images par seconde).3 http://www.marconitech.com/lllccd/
Principes du comptage de photons 99Figure 6.3. Courbe d’efficacité quantique du CCD65 de Marconi Applied Technologies qui utilise la technologieL3CCDL 3 CCD.Figure 6.4. Illustration de l’importance de la cryogénie pour les L 3 CCD (cas du CCD65 de Marconi AppliedTechnologies).6.4 Détecteurs Spatio-Spectraux6.4.1 Les STJUne des voies les plus prometteuses dans le domaine des capteurs à comptage de photonsconservant la linéarité photométrique, sont les matrices utilisant la technologie STJ (SuperconductingTunnel Junction, Perryman et al. 1993 [96], Peacock et al. 1997 [93]). Les matériaux supraconducteursutilisés ont la propriété de pouvoir démultiplier les électrons au sein même dumatériau tout en conservant une linéarité photo-électronique qui en fait le détecteur quasi idéalpour le comptage de photons. Pour un quantum d’énergie E = h ν donné incident, le STJ va
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