[논문 리뷰] Linear-mode avalanche photodiode arrays for low-noise near-infrared imaging in space

James Gilbert, Аlexey Grigoriev외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 12.

Advanced Optical Sensing Technologies참고 문헌 6인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 우주에서 저잡음 근적외선 영상 촬영을 위한 선형 모드 압전 광다이오드(LmAPD) 어레이, 특히 SAPHIRA 어레이의 개발 및 궤도 시험을 제시한다. 내부 신호 증폭을 활용하여 읽기 잡음의 효과를 0.2 e⁻ 이하로 낮춤으로써, 1 kHz에서 고속 포톤 카운팅 광도 측정이 가능해지며, 이는 1.4 μm에서 시간 지연 통합 천체 측량 조사에 이상적이다. 이는 국제우주정거장(ISS)의 Emu 임무에서 입증되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 선형 모드 압전 광다이오드(LmAPD)를 사용하여 우주에서 저잡음·고속 근적외선 영상 촬영을 가능하게 하기.
• 짧은 노출 시간 응용에서 읽기 잡음으로 인해 제약을 받는 전통적인 적외선 센서의 한계를 극복하기.
• 국제우주정거장(ISS)의 Emu 호스팅 펌웨어에 탑재된 SAPHIRA LmAPD 어레이의 궤도 상 최초 사용을 시범적으로 보여주기.
• 작고 저잡음의 읽기 전자회로를 활용해 1.4 μm에서 시간 지연 통합 광도 측량 천체 조사 수행 가능하게 하기.

제안 방법

• Leonardo MW에서 개발한 SAPHIRA LmAPD 어레이를 활용하여, 약한 신호를 읽기 전에 선형 모드 압전 증폭을 통해 증폭한다.
• 호주국립대학교에서 개발한 작고 저잡음의 읽기 전자회로를 활용하여 LmAPD 어레이와의 인터페이스를 구현한다.
• 시간 지연 통합(TDI) 기법을 도입하여 시간에 따라 신호를 누적함으로써, 희미한 신원 탐지에 대한 감도를 향상시킨다.
• LmAPD 시스템을 국제우주정거장(ISS)의 호스팅 펌웨어인 Emu 임무에 통합하여 궤도 검증을 수행한다.
• 1.4 μm 파장에서 작동하여 고시간 해상도를 갖춘 근적외선 광도 측량 조사를 목표로 한다.
• LmAPD 신호 증폭의 본질적 잡음 감소 기능을 활용하여, 효과적 읽기 잡음 <0.2 e⁻를 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LmAPD 어레이가 우주 응용을 위한 근적외선에서 효과적 읽기 잡음을 0.2 e⁻ 이하로 낮출 수 있는가?
• RQ2 LmAPD 어레이와 작고 저잡음의 읽기 전자회로의 조합이 우주에서 1.4 μm에서 고속·저잡음 광도 측정을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 저지구궤도에서 희미한 천체를 대상으로 하는 깊은 하늘 광도 측량 조사를 위해 LmAPD 어레이와 시간 지연 통합을 조합하는 것이 가능한가?
• RQ4 Emu 임무를 통해 SAPHIRA LmAPD 기술이 우주 환경에서 성공적으로 시범적으로 검증될 수 있는가?
• RQ5 기존의 적외선 센서로는 달성할 수 없는 과학적 관측은 무엇인가?

주요 결과

• SAPHIRA LmAPD 어레이가 효과적 읽기 잡음을 0.2 e⁻ 이하로 낮춰 고속 응용에서 매우 희미한 신호 탐지가 가능하다.
• 국제우주정거장(ISS)의 Emu 임무에서 SAPHIRA LmAPD 어레이의 궤도 상 최초 작동이 성공적으로 시범적으로 보여졌다.
• 시스템은 1.4 μm에서 고프레임 레이트까지 1 kHz까지의 빠른 속도로 시간 지연 통합 광도 측량 천체 조사를 가능하게 한다.
• 호주국립대학교에서 개발한 작고 저잡음의 읽기 전자회로가 LmAPD 어레이와 호환되는 저잡음·고대역폭 작동을 지원한다.
• 이 기술은 기존의 적외선 센서로는 구현이 어려운 고정밀 광도 측정, 예를 들어 희미한 근적외선 소스의 관측과 같은 새로운 과학적 가능성을 열어준다.
• 성공적인 궤도 시험은 LmAPD 어레이가 향후 우주 기반 근적외선 영상 임무를 위한 전환적 기술임을 검증한다.