FR3109644A1 - Frequence de modulation optique dans un dispositif optoelectronique hybride a base de graphene - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un dispositif optoélectronique, comprenant : - un photocapteur hybride (3) comprenant du graphène (31) et un matériau absorbant la lumière (33), et - un modulateur de fréquence optique (5) configuré pour moduler la fréquence d’une lumière incidente sur ledit photocapteur hybride (3) à une fréquence de fonctionnement souhaitée, mettant ainsi en œuvre une réponse plus rapide du photocapteur hybride. Fig. 1.
Description
La présente invention concerne le domaine de dispositifs optoélectroniques à base de graphène et de matériaux semi-conducteurs et plus particulièrement le domaine des détecteurs de lumière.
Etat de l’art antérieur
Le graphène a été introduit comme un matériau 2D photonique prometteur, qui peut fonctionner dans une vaste plage de longueurs d’onde couvrant de l’ultraviolet à l’infrarouge lointain et le régime THz. Toutefois, une faible absorption de lumière dans la monocouche de graphène limite la sensibilité des photodétecteurs au graphène.
Pour surmonter cette limitation, plusieurs matrices hybrides ont été introduites en combinant du graphène avec des matériaux absorbant la lumière. Parmi eux, un phototransistor hybride à PQ (point quantique) de graphène/PbS a été proposé pour la première fois dans le document [1]. Un capteur d’image à large bande haute résolution sensible à la lumière ultraviolette, visible et infrarouge (300-2000 nm) a plus tard été proposé dans le document [2].
Le concept de ces photodétecteurs hybrides est de découpler la génération de photoporteurs par absorption et transport de lumière. Les PQ agissent comme un matériau absorbant la lumière, tandis que le graphène agit comme un canal de haute mobilité pour les porteurs photogénérés. En raison de la courbure de bande à l’interface graphène/PQ, un type de porteurs photogénérés (électrons ou trous) est piégé à l’intérieur de la couche PQ pendant une certaine période de temps (τdurée de vie) et l’autre type de porteurs est transféré vers le canal en graphène, où ils circulent de multiples fois dans le circuit externe pendant τdurée de viedonnant lieu à une sensibilité significativement élevée en raison d’un mécanisme de gain avant la survenue de la recombinaison électron-trou. Ce mécanisme unique de photodétecteur hybride le rend hautement sensible à une lumière de basse intensité, mais d’autre part, mène à un temps de réponse élevé associé à une τdurée de viemoyenne qui restreint sa performance en tant que détecteur rapide.
Afin de surmonter cette limitation, certains procédés exploitent l’accordabilité de grille dorsale du niveau de Fermi du graphène pour développer une fonctionnalité de remise à zéro dans les détecteurs en tant qu’obturateur électronique tel qu’indiqué dans le document [1]. Ce document montre que l’application d’une impulsion électrique au niveau du dispositif à grille accélère la décroissance de photocourant. Un temps de réponse de l’ordre de 10 ms est mesuré en présence d’une impulsion de remise à zéro.
Le document [3] indique une autre approche pour réduire le temps de réponse en intégrant directement une photodiode à point quantique en haut d’un phototransistor en graphène pour accentuer significativement la collection des charges due à la dérive de porteurs (grâce au champ électrique dans la photodiode) plutôt que de reposer seulement sur la diffusion. Le procédé consiste à fusionner les deux types de photodétecteurs (photodiodes et phototransistors) en un photodétecteur hybride avec de meilleures performances en termes de vitesse et de plage dynamique linéaire. Un temps de réponse de l’ordre de 0,1 à 1 ms est obtenu dans ce cas.
Toutefois, dans toutes les solutions ci-dessus, le temps de réponse n’est toujours pas assez rapide pour parvenir à un détecteur rapide présentant de hautes performances.
Le but de cette invention est de résoudre les inconvénients ci-dessus en minimisant le temps de réponse, parvenant ainsi à un détecteur plus rapide à haute résolution tout en conservant une haute sensibilité.
Présentation de l’invention
Ce but est atteint par un dispositif optoélectronique, comprenant :
- un photocapteur hybride comprenant du graphène et un matériau absorbant la lumière, et
- un modulateur de fréquence optique configuré pour moduler la fréquence d’une lumière incidente sur ledit photocapteur hybride à une fréquence de fonctionnement souhaitée, mettant ainsi en œuvre une réponse plus rapide du photocapteur hybride.
- un photocapteur hybride comprenant du graphène et un matériau absorbant la lumière, et
- un modulateur de fréquence optique configuré pour moduler la fréquence d’une lumière incidente sur ledit photocapteur hybride à une fréquence de fonctionnement souhaitée, mettant ainsi en œuvre une réponse plus rapide du photocapteur hybride.
Le photocapteur hybride le rend hautement sensible à une lumière de basse intensité alors que le modulateur de fréquence optique minimise le temps de réponse permettant une détection rapide et ainsi, la combinaison des deux éléments parvient à un dispositif à photocapteur rapide et de haute résolution, tout en conservant une haute sensibilité.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le modulateur de fréquence optique comprend un afficheur à cristaux liquides LCD (pour « Liquid Crystal Display ») pouvant être connecté à un circuit de pilotage, le circuit de pilotage étant configuré pour fournir une tension pulsée pour moduler la lumière incidente à la fréquence de fonctionnement souhaitée.
Le cristal liquide peut être intégré de manière simple et compacte en haut du photocapteur hybride. Il peut fonctionner comme un commutateur optique haute vitesse atteignant de hautes fréquences, par exemple, 10 kHz ou plus telles que 50 kHz et peut fonctionner dans la région infrarouge sans générer aucun bruit. Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, le modulateur de fréquence optique est une alimentation électrique de DEL configurée pour moduler la lumière incidente à la fréquence de fonctionnement souhaitée.
L’alimentation électrique de DEL peut être utilisée pour faire varier l’intensité de lumière et la fréquence de modulation optique à une très haute précision.
Avantageusement, le modulateur de fréquence optique est configuré pour avoir une fréquence de fonctionnement de 50 kHz mettant en œuvre une valeur de sensibilité de 144 A/W avec un temps de réponse correspondant de 5 µs parvenant ainsi à un dispositif hautement efficace présentant des particularités optimales.
Selon encore un autre mode de réalisation de la présente invention, le modulateur de fréquence optique est un hacheur opto-mécanique configuré pour moduler la lumière incidente à la fréquence de fonctionnement souhaitée.
Un obturateur mécanique peut être adapté à certains types de photocapteurs bien qu’en raison de sa plus grande taille, de son bruit plus élevé et d’une haute consommation de puissance, le LCD soit plus avantageux.
Avantageusement, le photocapteur hybride comprend au moins un pixel, un circuit de lecture CMOS pouvant être connecté à une unité de commande CMOS configurée pour faire fonctionner et lire l’au moins un pixel pour obtenir la détection/image/vidéo requise.
Cela accomplit un dispositif optoélectronique hautement efficace et compact.
Avantageusement, les matériaux absorbant la lumière sont des Points Quantiques PQ choisis parmi les suivants : des nanoplaquettes de PbS, PbSe, PbTe, InAs, InSb, HgTe, Ag2S, Ag2Se, CuInSe2, GeSn, Ge, Bi2Te3, un nanocristal de CdS, CdSe/ZnS, une nanofeuille de GaSe, des nanoparticules d’argent, ZnO.
Cela permet la production d’une grande variété de photocapteurs hybrides dont certains sont plus adaptés aux infrarouges, d’autres à la lumière visible et encore d’autres aux ultraviolets ou toute combinaison de ces spectres.
Selon un mode de réalisation favori de la présente invention, le dispositif optoélectronique est un capteur d’image, le photocapteur hybride étant formé en motif en une matrice de n × m pixels, et le LCD étant formé en motif en n bandes, chaque bande couvrant une ligne de la matrice n x m de pixels, les n bandes étant configurées pour exposer la lumière incidente sur la matrice n x m de pixels ligne par ligne, chaque colonne de la matrice de n x m de pixels étant connectée via des commutateurs sélecteurs de ligne à un amplificateur trans-impédance capacitif configuré pour intégrer le photocourant pendant un temps prédéfini (synchronisé avec un temps de commutation LCD) et obtenir une sortie de tension, la sortie de tension de tous les n × m pixels étant combinée pour obtenir une image/vidéo requise.
Avantageusement, il comprend une ligne de pixels aveugles permettant à l’amplificateur trans-impédance capacitif d’intégrer le photocourant en calculant la différence entre courant de pixel et courant d’obscurité.
Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, le dispositif optoélectronique est un photodétecteur, le LCD étant placé en haut du photocapteur hybride générant une exposition à la lumière incidente sur ce dernier, ledit photocapteur hybride étant connecté à un amplificateur trans-impédance capacitif configuré pour intégrer le photocourant pendant un temps prédéfini et obtenir une sortie de tension, le temps d’intégration de photocourant étant synchronisé avec la fréquence de l’exposition à la lumière incidente sur le photocapteur hybride.
L’invention concerne également un procédé de photodétection, comprenant une modulation de fréquence d’une lumière incidente sur un photocapteur hybride comprenant du graphène et un matériau absorbant la lumière, ladite modulation de fréquence d’une lumière incidente mettant en œuvre une réponse plus rapide du photocapteur hybride.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d’exemple de modes de réalisation donnés purement à titre d’information et en aucune manière limitant, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
Le concept de base de l’invention est de moduler la fréquence de la lumière incidente sur un photocapteur hybride afin de commander et de limiter sa période de temps de mesure.
La figure 1 illustre de manière très schématique un dispositif optoélectronique, selon un mode de réalisation de l’invention.
Le dispositif optoélectronique 1 comprend un photocapteur hybride 3 et un modulateur de fréquence optique 5.
Le photocapteur hybride 3 comprend du graphène 31 et un matériau absorbant la lumière 33 composé de points quantiques « PQ » tels que PbS (PQ graphène/PbS) qui peuvent fonctionner du visible à l’infrarouge courte longueur d’onde (SWIR pour « Short-Wavelength Infrared »).
Le modulateur de fréquence optique 5 est configuré pour moduler la fréquence d’une lumière incidente 7 sur le photocapteur hybride 3 à une fréquence de fonctionnement souhaitée. La modulation de la fréquence de la lumière incidente 7 impose une réponse plus rapide du photocapteur hybride 3.
En effet, les figures 2A à 2D illustrent le temps de réponse d’un photocapteur hybride à différentes fréquences de modulation optique, selon un mode de réalisation de l’invention.
Le temps de réponse d’un photocapteur est défini par le temps de montée τret le temps de descente τf, où le temps de montée tr(respectivement, temps de descente tf) représente le temps pris pour augmenter (respectivement, diminuer) le photocourant Ipde 10 % à 90 % (respectivement, 90 % à 10 %). Le photocourant Ipen µA est représenté sur l’axe vertical des figures 2A à 2C et le temps est représenté sur l’axe horizontal en secondes (pour les figures 2A et 2B) et en ms (pour la figure 2C).
En particulier, les figures 2A et 2B montrent les temps de montée tret temps de descente tfmesurés respectivement à une fréquence de modulation optiquef p = 0,05 Hz pour une puissance d’irradiation de 1,8 nW à une longueur d’onde de 940 nm.
Lorsque la fréquence de modulation optiquef p augmente, les particularités de photo-réponse changent progressivement d’ondes carrées en ondes triangulaires. En utilisant la même procédure pour estimer les temps de montée et temps de descente, une réduction significative du temps de montée (respectivement, descente) est observée de 55 ms (respectivement, 2,8 s) àf p = 0,05 Hz à 5 µs (respectivement, 7 µs) àf p = 50 kHz.
La figure 2C schématise la particularité de type ondes triangulaires de la photo-réponse du photocapteur 3 mesurée à une fréquence de modulation optiquef p = 50 kHz pour la même puissance d’irradiation (1,8 nW) conjointement avec les temps de montée et temps de descente estimés.
La figure 2D représente l’évolution du temps de montée tret du temps de descente tf(en secondes) en fonction de la fréquence de modulation optiquef p (en Hz). Elle montre la diminution progressive des temps de montée tret temps de descente tfavec unef p croissante. A mesure quef p augmente, on note que la différence entre les temps de montée tret temps de descente tfse réduit et les deux temps deviennent similaires à des fréquences de modulation optiquef p plus élevées, en particulier, lorsque les particularités de réponse ressemblent à des ondes triangulaires.
Il faut noter que dans un photocapteur hybride 3, le temps de montée trest associé au temps pris pour transférer des trous photogénérés de couches PQ à des canaux de graphène, tandis que le temps de descente tfest déterminé par le temps de piégeage moyen des électrons photogénérés (tdurée de vie) dans les couches PQ. Puisque, dans de tels dispositifs hybrides, le temps de piégeage d’électron dans des PQ est toujours plus grand que le temps de transfert de trou ce qui introduit un mécanisme de gain, le temps de descente tfest observé comme étant plus élevé que le temps de montée tr(c’est à dire tf> tr) à une basse fréquence de modulation optiquef p . Dans les couches PQ, il existe différentes sortes d’états de piège : les pièges profonds et les pièges superficiels associés à des temps de piégeage long et court respectivement comme l’explique le document [4].
A une basse fréquence de modulation optiquef p , le temps de descente τrest un effet combinant de temps de piégeage à la fois long et court, ce qui est clairement observé sur la figure 2B, où la décroissance du photocourant est associée à des temps de relaxation rapide et long. A mesure que la fréquence de modulation optiquef p est augmentée, la période de temps de mesure est limitée, ce qui réduit le temps de montée tr.La réduction simultanée de tfpeut être expliquée par le fait que la réduction de la période de temps de mesure sonde sélectivement les états de piège d’électron avec un temps de piégeage court et élimine la contribution aux états de piège avec un temps de piégeage plus long. Par suite, la durée de vie moyenne tdurée de viese réduit avec une augmentation de la fréquence de modulation optiquef p , et la particularité de photo-réponse se transforme en ondes triangulaires avec une diminution simultanée à la fois de tret tf, qui deviennent presque égaux à unef p plus élevée comme le montre la figure 2D.
Toutefois, comme le dispositif devient plus rapide avec une réduction du temps de réponse, la sensibilité diminue simultanément. En effet, la figure 3 montre l’évolution du temps de réponse (tr) avec la sensibilité correspondante en fonction de la fréquence de modulation optique.
La modulation de la fréquence de la lumière incidente limite la période de temps de mesure (t p ). Lorsquet p > tdurée de vie, le dispositif parvient à sa plus haute sensibilité associée à un temps de réponse élevé, tandis que pourt p < tdurée de vie, le dispositif n’a pas assez de temps pour atteindre la plus haute sensibilité aboutissant à une réduction de tdurée de viemoyen qui mène à un temps de réponse plus faible.
Néanmoins, une valeur de sensibilité encore élevée de 144 A/W avec un tr= 5 µs correspondant est atteinte à une fréquence de modulation optiquef p = 50 kHz. Ce temps de réponse est inférieur de plusieurs ordres de grandeurs à des valeurs antérieurement rapportées de temps de réponse dans l’art antérieur. Dans le document [1] de l’art antérieur, le temps de réponse est de l’ordre de 10 ms en présence d’une impulsion de remise à zéro d’une grille dorsale. Dans le document [3] de l’art antérieur, le temps de réponse est de l’ordre de 0,1 à 1 ms dans un phototransistor à graphène/PQ PbS avec une électrode haute. Par ailleurs, la valeur de sensibilité de photocapteurs disponibles dans le commerce est de l’ordre de seulement 1 A/W qui est de moins d’un centième de celle de la présente invention (144 A/W).
Ainsi, la technique de modulation de fréquence de la lumière incidente, selon la présente invention améliore le temps de réponse et parvient à un photocapteur plus rapide de haute résolution par un compromis avantageux entre sensibilité et temps de réponse.
Donc, par l’inclusion d’un modulateur de fréquence optique, on peut parvenir à une réponse plus rapide dans des photocapteurs hybrides graphène/PQ, tout en conservant une haute sensibilité. En d’autres termes, la combinaison remarquable de capteur à base de graphène/PQ hautement sensible avec un élément de modulation de fréquence optique, offre à la fois une sensibilité et une accordabilité de temps de réponse via la sélection appropriée de la fréquence de modulation de lumière selon les conditions d’application.
Il convient de noter que des capteurs thermiques, tels que des détecteurs pyroélectriques sont également associés à une modulation de fréquence de la lumière incidente. Toutefois, les détecteurs pyroélectriques sont uniquement sensibles à un changement de température radiante avec le temps et invariants à une radiance constante. Donc, contrairement à la présente invention, la modulation de lumière incidente pour des capteurs pyroélectriques est une condition de travail nécessaire et elle ne modifie ni n’accentue leurs fonctionnalités.
La figure 4 illustre de manière très schématique un dispositif optoélectronique, selon un mode de réalisation préféré de l’invention.
Le dispositif optoélectronique 1 comprend un photocapteur hybride 3 comprenant au moins un pixel et un modulateur de fréquence optique 5.
Le photocapteur hybride 3 comprend du graphène 31 et un matériau absorbant la lumière 33 composé de points quantiques PQ tels que PbS. Toutefois, le matériau absorbant la lumière 33 n’est pas limité au graphène/PQ PbS. Il existe divers PQ tels que des nanoplaquettes de PbSe, PbTe, InAs, InSb, HgTe, Ag2S, Ag2Se, CuInSe2, GeSn, Ge, Bi2Te3etc. qui peuvent fonctionner dans la région infrarouge. En outre, il existe plusieurs photodétecteurs hybrides UV-visibles à base de graphène et de diverses nanoparticules telles qu’un nanocristal de CdS, PQ CdSe/ZnS, PQ graphène, nanofeuille de GaSe, nanoparticules d’argent, et PQ ZnO.
Le modulateur de fréquence optique 5 comprend un afficheur à cristaux liquides LCD 51 à base de cristaux liquides nématiques 53 pris en sandwich entre deux plaques de verre 55a et 55b revêtues d’un matériau conducteur transparent, tel qu’ITO agissant comme des électrodes. Les cristaux liquides nématiques 53 peuvent être orientés en appliquant un champ électrique externe, et peuvent donc faire passer ou bloquer la lumière selon leurs orientations. Les électrodes conductrices transparentes ECT sont ainsi fixées à deux polariseurs 57a et 57b d’orientations différentes pour bloquer complètement la lumière pendant l’état d’arrêt. L’afficheur à cristaux liquides LCD 51 est connecté à un circuit de pilotage 59 qui est configuré pour fournir une tension pulsée pour moduler la lumière incidente 7 dans une fréquence de fonctionnement souhaitée.
L’afficheur à cristaux liquides 51 peut être directement intégré en haut d’un photocapteur hybride graphène/PQ 3 parvenant à un dispositif optoélectronique compact. Toutefois, un écartement d’isolement 11 peut être maintenu entre l’afficheur à cristaux liquides LCD et le photocapteur hybride pour réduire avantageusement la déviation de lumière.
En général, l’afficheur à cristaux liquides 51 peut fonctionner comme un commutateur optique avec un temps de montée et de décroissance minimal de l’ordre de 40 µs et 200 µs, respectivement comme l’indique le document [5]. Toutefois, les cristaux liquides 53 peuvent également fonctionner dans la région infrarouge, ce qui en fait un modulateur optique 5 avantageux dans le cas où le dispositif optoélectronique 1 est utilisé comme détecteur infrarouge compact.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention, le modulateur de fréquence optique 5 est une alimentation électrique de DEL (non représentée) configurée pour moduler la lumière incidente à la fréquence de fonctionnement souhaitée. L’alimentation électrique de DEL peut être connectée à une fibre optique avec une ouverture par exemple de l’ordre de 10 µm afin d’illuminer le dispositif précisément avec une taille de tache d’illumination couvrant une aire possible maximale du canal de graphène. L’alimentation électrique de DEL peut être utilisée pour faire varier l’intensité de la lumière en plus de faire varier la fréquence de modulation optique.
Les techniques de cristaux liquides ou les DEL permettent d’atteindre des fréquences de modulation élevées et optimales telles qu’une fréquence de fonctionnement de 50 kHz mettant en œuvre une valeur de sensibilité de 144 A/W avec un temps de réponse correspondant de 5 µs.
Selon encore un autre mode de réalisation de l’invention, le modulateur de fréquence optique est un hacheur opto-mécanique (non représenté) fonctionnant comme un obturateur roulant ou global et configuré pour moduler la lumière incidente à la fréquence de fonctionnement souhaitée. Le hacheur opto-mécanique peut être introduit en face du photocapteur hybride graphène/PQ afin de moduler la lumière incidente à la fréquence souhaitée. Toutefois, malgré leur bruit élevé et leur haute consommation de puissance, les hacheurs opto-mécaniques peuvent encore être utilisés pour certains types d’applications.
Les figures 5A et 5B illustrent de manière schématique un capteur d’image intégré, selon un mode de réalisation préféré de l’invention.
En particulier, le dispositif optoélectronique 1 des figures 5A et 5B est un capteur d’image dont le photocapteur hybride 3 est formé en motif en une matrice de n × m pixels. Ce capteur d’image intégré 1 convient pour une imagerie à faible lumière hautement sensible ainsi qu’une vidéo de haute qualité et grande vitesse.
Le photocapteur hybride 3 du capteur d’image 1 peut être construit en transférant tout d’abord un graphène CVD monocouche 31 sur un circuit de lecture CMOS 35 pré-formé en motif. La couche de graphène peut être gravée en petits canaux (par exemple, de 50 µm, 10 µm ou moins) selon la taille de pixel requise avec des électrodes en or (Au) 37 comme montré dans la vue de côté de la figure 5B. Il est possible de développer une matrice de capteur d’image de 300 × 300 ou 1000 × 1000 pixels de taille 2cm × 2cm en fabriquant des réseaux de canaux de graphène de 50 µm ou 10 µm, respectivement. En haut de la couche de graphène, des PQ colloïdaux 33 peuvent être déposés de façon homogène par une procédure de revêtement au trempé couche par couche contrôlé.
Cela est suivi par un transfert du modulateur de fréquence optique 5 basé sur un LCD à cristaux liquides 51, qui est pris en sandwich entre deux plaques de verre 55a, 55b revêtues d’un matériau conducteur transparent, tel qu’ITO agissant comme des électrodes. Les électrodes conductrices transparentes ECT sont fixées à deux polariseurs 57a, 57b d’orientations différentes pour bloquer la lumière complètement pendant l’état d’arrêt. Le modulateur de fréquence optique 5 est connecté à un circuit de pilotage 59 qui peut fournir une tension pulsée pour moduler la lumière incidente dans une fréquence souhaitée. Le circuit CMOS 35 du photocapteur hybride 3 est connecté à une unité de commande CMOS 36 suivie par un système d’affichage 38 afin de faire fonctionner et de lire les pixels pour obtenir l’image/vidéo requise.
Le capteur d’imagerie à base de graphène/PQ 1 peut présenter un photocourant significativement élevé (voir les figures 2A à 2C) tout en fonctionnant à une fréquence de trame basse. Donc, afin d’obtenir un circuit de lecture CMOS compatible avec le photocourant de chaque pixel dans le capteur d’imagerie 1, il convient d’utiliser un mode obturateur roulant plutôt qu’un mode instantané pour lire les pixels.
Les figures 6A et 6B illustrent de manière très schématique le schéma de circuit du capteur d’image intégré des figures 5A et 5B.
En particulier, la figure 6A montre le circuit connecté aux n × m pixels (par exemple, 300 × 300 pixels) du photocapteur hybride. La figure 6B montre le circuit ligne par ligne connecté au LCD pour moduler la fréquence de la lumière incidente.
Comme le montre la figure 6A, une ligne de pixels aveugles 41 est mise en œuvre au niveau d’un côté de la matrice n x m 43, afin de calculer le courant d’obscurité. Chaque colonne de la matrice n x m 43, est connectée à un amplificateur trans-impédance capacitif 45 via des commutateurs sélecteurs de ligne 47 pour intégrer le photocourant.
Une première entrée de l’amplificateur trans-impédance capacitif 45 est une tension de référence Vatandis que, une seconde entrée provient d’un diviseur de tension formé par une résistance de pixel optiquement active Rpixelen série avec une résistance de pixel aveugle Raveugle. La seconde entrée représente une fraction de la tension de polarisation VSDappliquée à chaque pixel. En effet, la seconde entrée est le résultat de la répartition de la tension de polarisation VSDparmi les composantes Rpixelet Raveugledu diviseur de tension.
Chaque amplificateur trans-impédance capacitif 45 intègre (c’est-à-dire lit) le photocourant en calculant la différence entre le courant de pixel correspondant et le courant de pixel aveugle pendant un temps prédéfini et obtient une sortie de tension Vout. La sortie de tension de tous les n × m pixels 43 (c’est-à-dire toutes les lectures de pixel) est ensuite combinée par un étage de multiplexage 47 pour obtenir l’image/vidéo requise.
Pour exposer une lumière incidente sur les pixels ligne par ligne, l’afficheur à cristaux liquides 51 est formé en motif en n bandes 61 couvrant chaque ligne du photocapteur comme le montre la figure 6B. L’électrode ITO basse du LCD 51 est faite comme une masse commune à toutes les bandes 61 de cristaux liquides, tandis que l’électrode ITO haute est configurée pour commander les bandes à cristaux liquides 61 individuellement en appliquant une tension de polarisation Vm.
La figure 7 illustre la synchronisation du temps de lecture de pixel dans un mode obturateur roulant ligne par ligne avec le temps de commutation de LCD relatif au capteur d’image intégré des figures 5A, 5B, 6A et 6B.
La synchronisation du temps de lecture de pixel (c’est-à-dire le temps d’intégration) du photocourant peut être ajustée en fonction de la fréquence de trame. Afin d’obtenir une réponse convenable du pixel, la ligne correspondante est pleinement exposée par la lumière incidente via la bande LCD haute 61 pendant le temps d’intégration de ce pixel. Donc, la bande LCD correspondante 61 est allumée à l’avance en fonction de son temps de montée (par exemple, de l’ordre de 40 µs), et éteinte après le temps d’intégration. Le processus ci-dessus est répété pour des lignes successives comme le présente la figure 7. De manière intéressante, de cette manière, des cristaux liquides formés en motif même avec un temps de réponse (temps de montée et temps de descente) plus lent peuvent également être utilisés tout en maintenant la synchronisation du temps d’intégration de courant et du temps d’exposition de lumière. Cette technique élimine donc la restriction d’utiliser un LCD de grande vitesse pour le dispositif d’imagerie.
Par exemple, pour un enregistrement vidéo avec une vitesse habituelle de 30 tps (trames par seconde), le temps d’intégration tintde chaque ligne d’un capteur d’imagerie de 300 × 300 pixels peut être fixé à 110 µs (tint~ 110 µs) en suivant l’équation, tintx no. de lignes = 1/fréquence de trame, dans le cas d’un mode obturateur roulant. Puisque le photodétecteur de graphène/PQ PbS montre un temps de réponse minimal de 5 µs en présence de la lumière incidente pulsée, le temps d’intégration tintpeut être fixé à 5 µs, ce qui mènera à une vitesse maximale de 666 tps dans le dispositif d’imagerie intégré, en présence d’un circuit de lecture compatible.
Il convient de noter que si la modulation de lumière par LCD est utilisée comme mode de réalisation favori, d’autres options technologiques pourront être considérées, impliquant des matériaux présentant des effets électro-optiques, acousto-optiques ou magnéto-optiques.
La figure 8 illustre de manière schématique un photodétecteur intégré, selon un mode de réalisation préféré de l’invention.
En particulier, le dispositif optoélectronique 1 de la figure 8 est un photodétecteur où un LCD est placé en haut du photocapteur hybride 3 générant une exposition à la lumière incidente sur ce dernier. Le photodétecteur 1 de la figure 8 est similaire au capteur d’image de la figure 5 sauf que le photodétecteur 1 peut être considéré comme un dispositif à un pixel.
En particulier, le photodétecteur compact 1 est hybride à base de graphène/PQ sur une tranche de SiO263 combinée à un modulateur de fréquence optique à base de LCD 5 (où, il n’est pas nécessaire que le LCD soit formé en motif sous forme de bandes). En effet, à la place du circuit de lecture CMOS, il est possible d’utiliser une tranche de SiO2classique. On peut faire varier la longueur de canal en graphène dans une plage de 1 mm à 1 µm selon la taille requise du photodétecteur 1. De manière similaire à la figure 5, les électrodes en Au 37 sur du graphène sont connectées à un amplificateur trans-impédance capacitif 45 pour intégrer le photocourant pendant un temps prédéfini et obtenir la sortie de tension Vout. Par ailleurs, le LCD 51 est mis en fonctionnement par un générateur d’impulsion de tension externe Vm.
La figure 9 illustre la synchronisation du temps de lecture avec la fréquence de commutation de LCD par rapport au photodétecteur intégré de la figure 8.
Le temps d’intégration de photocourant du photodétecteur est synchronisé avec la fréquence de l’exposition à la lumière incidente sur le photodétecteur via le LCD de manière similaire à la figure 7 sauf qu’il n’existe qu’un seul pixel.
Références
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[2]. S. Goossens, G. Navickaite, C. Monasterio, S. Gupta, J. J. Piqueras, R. Pérez, G. Burwell, I. Nikitskiy, T. Lasanta, T. Galán, et al.,Nature Photonics 11, 366 (2017).
[3]. I. Nikitskiy, S. Goossens, D. Kufer, T. Lasanta, G. Navickaite, F. H. Koppens, et G. Konstantatos,Nature communications 7, 11954 (2016).
[4]. G. Konstantatos et E. H. Sargent,Applied Physics Letters 91, 173505 (2007).
[5]. Y.-H. Wu, Y.-H. Lin, Y.-Q. Lu, H. Ren, Y.-H. Fan, J. R. Wu, et S.-T. Wu,Optics express 12, 6382 (2004).
Claims (11)
- Dispositif optoélectronique, comprenant :
- un photocapteur hybride (3) comprenant du graphène (31) et un matériau absorbant la lumière (33), et
- un modulateur de fréquence optique (5) configuré pour moduler la fréquence d’une lumière incidente sur ledit photocapteur hybride (3) à une fréquence de fonctionnement souhaitée, mettant ainsi en œuvre une réponse plus rapide du photocapteur hybride. - Dispositif optoélectronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modulateur de fréquence optique (5) comprend un afficheur à cristaux liquides (Liquid Crystal Device) LCD (51) pouvant être connecté à un circuit de pilotage (59), le circuit de pilotage étant configuré pour fournir une tension pulsée pour moduler la lumière incidente à la fréquence de fonctionnement souhaitée.
- Dispositif optoélectronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modulateur de fréquence optique (5) est une alimentation électrique de DEL configurée pour moduler la lumière incidente à la fréquence de fonctionnement souhaitée.
- Dispositif optoélectronique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le modulateur de fréquence optique (5) est configuré pour avoir une fréquence de fonctionnement de 50 kHz mettant en œuvre une valeur de sensibilité de 144 A/W avec un temps de réponse correspondant de 5 µs.
- Dispositif optoélectronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modulateur de fréquence optique (5) est un hacheur opto-mécanique configuré pour moduler la lumière incidente à la fréquence de fonctionnement souhaitée.
- Dispositif optoélectronique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le photocapteur hybride (3) comprend au moins un pixel, un circuit de lecture CMOS (35) pouvant être connecté à une unité de commande CMOS (36) configurée pour faire fonctionner et lire l’au moins un pixel pour obtenir la détection/image/vidéo requise.
- Dispositif optoélectronique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les matériaux absorbant la lumière sont des Points Quantiques PQ choisis parmi les suivants : des nanoplaquettes de PbS, PbSe, PbTe, InAs, InSb, HgTe, Ag2S, Ag2Se, CuInSe2, GeSn, Ge, Bi2Te3, un nanocristal de CdS, CdSe/ZnS, une nanofeuille de GaSe, des nanoparticules d’argent, ZnO.
- Dispositif optoélectronique selon la revendication 2, dans lequel, le dispositif optoélectronique est un capteur d’image, caractérisé en ce que le photocapteur hybride est formé en motif en une matrice de n × m pixels, et en ce que ledit LCD (51) est formé en motif en n bandes (61), chaque bande couvrant une ligne de la matrice de n x m de pixels, les n bandes étant configurées pour exposer la lumière incidente sur la matrice n x m de pixels ligne par ligne, chaque colonne de la matrice n x m de pixels étant connectée via des commutateurs sélecteurs de ligne à un amplificateur trans-impédance capacitif (45) configuré pour intégrer le photocourant pendant un temps prédéfini et obtenir une sortie de tension, la sortie de tension de tous les n × m pixels étant combinée pour obtenir une image/vidéo requise.
- Dispositif optoélectronique selon la revendication 8, caractérisé en ce qu’il comprend une ligne de pixels aveugles (41) mise en œuvre au niveau d’un côté de la matrice n x m et permettant à l’amplificateur trans-impédance capacitif d’intégrer le photocourant en calculant la différence entre courant de pixel et courant d’obscurité.
- Dispositif optoélectronique selon la revendication 2, dans lequel, le dispositif optoélectronique est un photodétecteur, caractérisé en ce que le LCD (51) est placé en haut du photocapteur hybride générant une exposition à la lumière incidente sur ce dernier, ledit photocapteur hybride étant connecté à un amplificateur trans-impédance capacitif (45) configuré pour intégrer le photocourant pendant un temps prédéfini et obtenir une sortie de tension, le temps d’intégration de photocourant étant synchronisé avec la fréquence de l’exposition à la lumière incidente sur le photocapteur hybride.
- Procédé de photodétection, caractérisé en ce qu’il comprend une modulation de fréquence d’une lumière incidente sur un photocapteur hybride comprenant du graphène et un matériau absorbant la lumière, ladite modulation de fréquence d’une lumière incidente mettant en œuvre une réponse plus rapide du photocapteur hybride.
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