Les systèmes LiDAR seront bientôt indispensables dans toutes les applications automobiles visant le niveau 3 (et supérieurs) d’autonomie selon le référentiel de la SAE. Utilisés en combinaison avec des capteurs d’images radar et CMOS, ils sont l’avenir des modes de conduite avancés tels que la conduite autonome. Parmi les défis que devront relever les futurs systèmes LiDAR, il y a l’extension du champ de vision et la mise au point d’une détection de cible fiable et à haute résolution avec une portée minimale de 250 m. Ces systèmes doivent en effet être capables d’identifier de petits objets peu réfléchissants à une certaine distance, et ce, même en plein soleil.

Afin de répondre à cette exigence, il est nécessaire de disposer d’une efficacité de détection de photons (PDE) et d’une plage dynamique élevées. Et comme les applications automobiles n’échappent pas aux demandes de prix compétitifs, Broadcom a opté pour des détecteurs au silicium parfaitement adaptés à la longueur d’onde de 905 nm.

C’est pourquoi la Broadcom Industrial Fiber Products Division (IFPD) a étoffé son portefeuille de capteurs optiques en y incluant de nouveaux dispositifs à photomultiplicateurs au silicium (SiPM) pour applications LiDAR destinés aux secteurs automobile et industriel. Ces photomultiplicateurs sont capables de détecter des sources de lumière extrêmement faibles, jusqu’à un seul photon. Ils se composent de diodes à avalanche qui fonctionnent en mode Geiger (ce qu’on appelle des SPAD) et sont connectés en parallèle pour former un SiPM. En fonction de la source lumineuse et de l’application, il est possible de combiner de quelques centaines à plusieurs milliers de SPAD. Chaque SPAD comprend une résistance série intégrée qui éteint l’avalanche et réinitialise la diode pour le prochain photon entrant. La sortie de signal est un courant électrique proportionnel au nombre de photons qui frappent le capteur, ce qui offre au signal un gain très élevé et un temps de réponse rapide. Les SiPM trouvent leur utilité dans des applications nécessitant une détection de lumière faible et des informations de synchronisation précises comme les détecteurs à base de scintillateurs et les systèmes de temps de vol.

Rayonnement ultraviolet proche

Le SiPM NUV-MT se distingue par son exceptionnelle sensibilité, allant du rayonnement ultraviolet proche au spectre en proche infrarouge, avec une efficacité de détection de photons (PDE) inégalée de 63 % à 420 nm. Dans cette version MT (pour metal-filled trench, du fait que sa tranchée est remplie de métal), le SiPM NUV offre la PDE la plus élevée et un bruit corrélé réduit (diaphonie). Tous les produits NUV-MT sont livrés dans une nouvelle conception de boîtier pour PCB surmoulé offrant une excellente transparence de 250 nm à 900 nm et au-delà, combinant ainsi solidité et sensibilité sans compromis. Ce module est indiqué pour des expériences médicales ou biologiques et dans divers domaines comme la sécurité ou la physique des hautes énergies, en particulier en présence de scintillateurs. Le NUV-MT affiche la meilleure PDE et les meilleures performances de synchronisation de sa catégorie pour des applications de PET temps de vol (TOF-PET).

Les SiPM sensibles au bleu

Les produits SiPM « blue-sensitive » de Broadcom sont sensibles de 250 nm à 900 nm, la plus haute sensibilité se situant à 420 nm. Un via traversant (TSV) et un boîtier à puce (CSP) permettent d’obtenir une densité supérieure de tuiles. Les SiMP de la gamme NUV-HD sont protégés par une couche de verre hautement transparente jusqu’aux longueurs d’onde UV. Les modèles sensibles au bleu affichent la meilleure PDE et les meilleures performances de synchronisation de leur catégorie pour des applications de PET temps de vol (TOF-PET). Ce module est indiqué pour des expériences médicales ou biologiques et dans divers domaines comme la sécurité ou la physique des hautes énergies, en particulier en présence de scintillateurs.

Proche infrarouge

Les dernières solutions SiPM proche infrarouge (NIR) de Broadcom apportent une réponse à divers problèmes comme la limite de portée et la résolution multicible. La technologie SiPM NIR sous-jacente offre des performances fiables avec une efficacité de détection de photons (PDE) élevée (18 % à 905 nm) et un temps de recharge de 10 ns. L’utilisation de cellules très compactes permet d’obtenir une plage dynamique élevée. Avec un taux de comptage d’obscurité (DCR) de 600 kHz/mm², une diaphonie inférieure à 20 % et sa probabilité de post-impulsion, le SiPM NIR est un détecteur adapté aux applications LiDAR hautes performances. La résolution temporelle à photon unique est de 500 ps.

Développements futurs

Les toutes nouvelles solutions NIR sont destinées aux applications LiDAR. Une PDE très élevée, des cellules de taille réduite et un faible temps de recharge sont des éléments indispensables à l'adoption généralisée des LiDAR. Riche d’une longue expérience dans le domaine du développement et de la fourniture de solutions de fibre optique de qualité pour les secteurs automobile et industriel, Broadcom est un interlocuteur tout désigné pour répondre à la demande croissante de capteurs LiDAR hautes performances dans ces marchés.

À propos de l’auteur

Stefan Brunner est chef de produit chez Broadcom Inc. à Ratisbonne, en Allemagne. Il travaille en étroite collaboration avec des clients de l'industrie, de l'automatisation d'usine, de la robotique, des sciences de la vie, de la photonique et des marchés médicaux, et est responsable des photomultiplicateurs de silicium (SiPM) et des capteurs 3D-ToF de Broadcom.

Stefan est diplômé en physique des rayonnements et en applications et possède plus de 10 ans d'expérience en recherche scientifique, R&D sur les produits, soutien aux applications et développement commercial acquise à l'ETH Zurich, au CERN, à la TU de Vienne, à la TU de Delft, au Philips Digital Photon Counting et à Broadcom.