[论文解读] 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 23

一句话总结

本文介绍了线性模式雪崩光电二极管（LmAPD）阵列——特别是SAPHIRA阵列——的研制及其在轨演示，该技术用于空间低噪声近红外成像。通过利用内部信号倍增，将有效读出噪声降低至0.2 e⁻以下，该技术实现了1 kHz的高速单光子计数测光，使其非常适合在1.4 μm波长下进行时间延迟积分天空巡天，如国际空间站上的Emu任务所展示的那样。

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.

研究动机与目标

• 利用线性模式雪崩光电二极管（LmAPD）实现在空间中的低噪声、高速近红外成像。
• 克服传统红外传感器在短曝光应用中受读出噪声限制的局限。
• 在国际空间站上的Emu搭载有效载荷中，首次实现SAPHIRA LmAPD阵列的在轨应用。
• 通过紧凑、低噪声读出电子设备，实现1.4 μm波段下的时间延迟积分测光天空巡天。

提出的方法

• 采用由Leonardo MW开发的SAPHIRA LmAPD阵列，利用线性模式雪崩增益在读出前放大微弱信号。
• 采用澳大利亚国立大学开发的紧凑、低噪声读出电子设备，与LmAPD阵列接口。
• 应用时间延迟积分（TDI）技术，对时间上的信号进行叠加，提升对微弱源的探测灵敏度。
• 将LmAPD系统集成至Emu任务中，作为国际空间站上的搭载有效载荷，用于在轨验证。
• 在1.4 μm波长下运行，以实现高时间分辨率的近红外测光巡天。
• 利用LmAPD信号倍增带来的固有噪声降低，实现有效读出噪声<0.2 e⁻。

实验结果

研究问题

• RQ1 LmAPD阵列是否能在近红外波段实现低于0.2 e⁻的有效读出噪声，适用于空间应用？
• RQ2 LmAPD阵列与紧凑读出电子设备的结合，是否能在空间中实现在1.4 μm波段下的高速、低噪声测光？
• RQ3 在近地轨道上，利用LmAPD阵列进行时间延迟积分是否可行，以实现深空测光巡天？
• RQ4 SAPHIRA LmAPD技术是否能通过Emu任务在空间环境中成功演示？
• RQ5 与传统红外传感器相比，LmAPD阵列是否开启了新的科学观测可能性？

主要发现

• SAPHIRA LmAPD阵列实现了低于0.2 e⁻的有效读出噪声，使高帧率应用中微弱信号的探测成为可能。
• 国际空间站上的Emu任务成功实现了SAPHIRA LmAPD阵列的首次在轨运行。
• 该系统实现了在1.4 μm波段下，帧率高达1 kHz的时间延迟积分测光天空巡天。
• 澳大利亚国立大学开发的紧凑读出电子设备支持低噪声、高带宽运行，与LmAPD阵列兼容。
• 该技术开启了新的科学可能性，例如对微弱近红外源的高精度测光，这是传统红外传感器无法实现的。
• 成功的在轨演示验证了LmAPD阵列作为未来空间近红外成像任务中变革性技术的潜力。