[論文レビュー] Linear-mode avalanche photodiode arrays for low-noise near-infrared imaging in space

James Gilbert, Аlexey Grigoriev+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2019

Advanced Optical Sensing Technologies参考文献 6被引用数 23

ひとこと要約

本論文では、宇宙空間における低ノイズ近赤外イメージングを実現するための線形モードアバランチフォトダイオード（LmAPD）アレイ、特にSAPHIRAアレイの開発および軌道上での実証を提示する。内部信号増幅を活用することで、有効読み出しノイズを0.2 e⁻未満に低下させ、1 kHzの高速、光子数カウント型フォトメトリーを可能にした。この技術は、1.4 μmにおける時間遅延統合（TDI）天体スキャンに最適であり、国際宇宙ステーション（ISS）のEmuミッションで実証された。

ABSTRACT

Astronomical observations often require the detection of faint signals in the presence of noise, and the near-infrared regime is no exception. In particular, where the application has short exposure time constraints, we are frequently and unavoidably limited by the read noise of a system. A recent and revolutionary development in detector technology is that of linear-mode avalanche photodiode (LmAPD) arrays. By the introduction of a signal multiplication region within the device, effective read noise can be reduced to <0.2 e-, enabling the detection of very small signals at frame rates of up to 1 kHz. This is already impacting ground-based astronomy in high-speed applications such as wavefront sensing and fringe tracking, but has not yet been exploited for scientific space missions. We present the current status of a collaboration with Leonardo MW - creators of the 'SAPHIRA' LmAPD array - as we work towards the first in-orbit demonstration of a SAPHIRA device in 'Emu', a hosted payload on the International Space Station. The Emu mission will fully benefit from the 'noiseless' gains offered by LmAPD technology as it produces a time delay integration photometric sky survey at 1.4 microns, using compact readout electronics developed at the Australian National University. This is just one example of a use case that could not be achieved with conventional infrared sensors.

研究の動機と目的

• 線形モードアバランチフォトダイオード（LmAPD）を用いて、宇宙空間における低ノイズ・高速近赤外イメージングを実現すること。
• 短時間露光応用において読み出しノイズが制限要因となる従来の赤外センサーの限界を克服すること。
• 国際宇宙ステーション（ISS）のホステッドペイロードであるEmuミッションにおいて、SAPHIRA LmAPDアレイの初の軌道上運用を実証すること。
• コンactな低ノイズ読み出し回路を用いて、1.4 μmにおける時間遅延統合（TDI）フォトメトリックスカイサーベイを可能にすること。

提案手法

• Leonardo MWが開発したSAPHIRA LmAPDアレイを用い、信号増幅のための線形モードアバランチゲインにより、読み出し前の微弱信号を増幅する。
• オーストラリア国立大学が開発したコンactで低ノイズな読み出し回路を用い、LmAPDアレイとインターフェースを確立する。
• 時間遅延統合（TDI）技術を採用し、時間的に信号を重ね合わせることで、微弱な天体の検出感度を向上させる。
• LmAPDシステムを国際宇宙ステーション（ISS）のホステッドペイロードであるEmuミッションに統合し、軌道上での検証を実施する。
• 1.4 μmの波長で動作させ、高い時間分解能を有する近赤外フォトメトリックスキャンを対象とする。
• LmAPDの信号増幅に起因する内在的ノイズ低減効果を活用し、有効読み出しノイズを0.2 e⁻未満に達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LmAPDアレイは、宇宙用途の近赤外応用において、有効読み出しノイズを0.2 e⁻未満に達成できるか？
• RQ2 LmAPDアレイとコンactな読み出し回路の組み合わせにより、宇宙空間で1.4 μmにおいて高速・低ノイズフォトメトリーが可能になるか？
• RQ3 低地球軌道から、LmAPDアレイを用いた時間遅延統合（TDI）を用いた深宇宙フォトメトリックスカイサーベイは実現可能か？
• RQ4 Emuミッションを通じて、SAPHIRA LmAPD技術が宇宙環境で成功裏に実証可能か？
• RQ5 従来の赤外センサーでは達成できない、LmAPDアレイによって可能になる科学的観測は何か？

主な発見

• SAPHIRA LmAPDアレイは、有効読み出しノイズが0.2 e⁻未満に達し、高速応用において極めて微弱な信号の検出を可能にした。
• 国際宇宙ステーション（ISS）のEmuミッションにおいて、SAPHIRA LmAPDアレイの初の軌道上運用が成功裏に実証された。
• 本システムは、1.4 μmにおける時間遅延統合（TDI）フォトメトリックスカイサーベイを、最大1 kHzの高フレームレートで実現した。
• オーストラリア国立大学が開発したコンactな読み出し回路は、LmAPDアレイと互換性があり、低ノイズで高帯域幅の動作をサポートした。
• 本技術は、従来の赤外センサーでは実現不可能な、微弱な近赤外源の高精度フォトメトリーなどの新たな科学的可能性を開いた。
• 成功裏の軌道上実証により、LmAPDアレイが将来的な宇宙用近赤外イメージングミッションの変革的技術であることが裏付けられた。