Les électrons se multiplient lorsqu'ils descendent "l'escalier" dans le cadre de la photodiode à avalanche. Crédit :Université du Texas à Austin
La réalisation du potentiel des voitures autonomes repose sur une technologie capable de détecter et de réagir rapidement aux obstacles et aux autres véhicules en temps réel. Des ingénieurs de l'Université du Texas à Austin et de l'Université de Virginie ont créé un nouveau dispositif de détection de lumière unique en son genre qui peut amplifier plus précisément les signaux faibles rebondissant sur des objets lointains que la technologie actuelle ne le permet, donnant aux véhicules autonomes une image plus complète de ce qui se passe sur la route.
Le nouveau dispositif est plus sensible que les autres détecteurs de lumière en ce qu'il élimine également les incohérences, ou du bruit, associés au processus de détection. Un tel bruit peut amener les systèmes à manquer des signaux et mettre en danger les passagers des véhicules autonomes.
"Les véhicules autonomes envoient des signaux laser qui rebondissent sur les objets pour vous dire à quelle distance vous êtes. Peu de lumière revient, donc si votre détecteur émet plus de bruit que le signal entrant, vous n'obtenez rien, " a déclaré Joe Campbell, professeur de génie électrique et informatique à la faculté d'ingénierie de l'Université de Virginie.
Des chercheurs du monde entier travaillent sur des appareils, appelées photodiodes à avalanche, pour répondre à ces besoins. Mais ce qui distingue ce nouvel appareil, c'est son alignement en forme d'escalier. Il comprend des étapes physiques d'énergie que les électrons roulent, se multipliant en cours de route et créant un courant électrique plus fort pour la détection de la lumière au fur et à mesure.
En 2015, les chercheurs ont créé un dispositif d'escalier à marche unique. Dans cette nouvelle découverte, détaillé dans Photonique de la nature , ils ont montré, pour la première fois, une photodiode à avalanche d'escalier à plusieurs marches.
"L'électron est comme une bille roulant dans un escalier, " a déclaré Seth Bank, professeur au département de génie électrique et informatique de la Cockrell School qui a dirigé la recherche avec Campbell, ancien professeur à la Cockrell School de 1989 à 2006 et ancien élève de l'UT Austin (B.S., La physique, 1969). "Chaque fois que le marbre roule d'une marche, il tombe et s'écrase sur le suivant. Dans notre cas, l'électron fait la même chose, mais chaque collision libère suffisamment d'énergie pour libérer réellement un autre électron. Nous pouvons commencer avec un électron, mais tomber à chaque pas double le nombre d'électrons : 1, 2, 4, 8, etc."
Le nouvel appareil de la taille d'un pixel est idéal pour les récepteurs de détection de lumière et de télémétrie (lidar), qui nécessitent des capteurs à haute résolution qui détectent les signaux optiques réfléchis par des objets distants. Le lidar est un élément important de la technologie des voitures autonomes, et il a aussi des applications en robotique, surveillance et cartographie du terrain.
L'ajout d'étapes augmente la sensibilité et la cohérence de l'appareil. Et la multiplication constante des électrons à chaque étape rend les signaux électriques du détecteur plus fiables, même dans des conditions de faible luminosité.
Les électrons se multiplient lorsqu'ils descendent "l'escalier" dans le cadre de la photodiode à avalanche. Crédit :Université du Texas à Austin.
"Moins la multiplication est aléatoire, plus les signaux que vous pouvez capter en arrière-plan sont faibles, " a déclaré Bank. " Par exemple, qui pourrait vous permettre de regarder à de plus grandes distances avec un système de radar laser pour véhicules autonomes."
Ce type de capacité de détection existe depuis des décennies, mais les barrières technologiques ont freiné son avancement. Les tubes photomultiplicateurs ont longtemps représenté le « Saint Graal » de cette forme de détection, La banque a dit, mais cette technologie existe depuis plus de 50 ans et utilise des composants d'éclairage et des tubes à vide obsolètes. Dans les années 1980, L'inventeur Federico Capasso a d'abord conçu la technologie de photodiode à avalanche que les chercheurs ont étudiée. Mais les outils et les techniques pour en faire une réalité n'étaient tout simplement pas assez avancés.
La science derrière cette percée vient d'une nouvelle façon de cultiver des matériaux, dit la banque. Au lieu de cultiver des matériaux avec des atomes répartis au hasard, ils ont créé des alliages en couches composés de composés binaires, composés de deux éléments, empilés les uns sur les autres.
"Ce que cela permet, c'est de changer le paysage énergétique de l'électron d'une manière très simple pour créer la structure que Capasso envisageait au début des années 80, mais malheureusement, il n'y avait tout simplement pas la capacité de synthétiser des cristaux ayant toutes les propriétés requises, ", a déclaré la Banque.
Un autre élément important de cet appareil est qu'il peut fonctionner à température ambiante. Aujourd'hui, les détecteurs de lumière les plus sensibles doivent être maintenus à des températures de plusieurs centaines de degrés en dessous de zéro, les rendant trop chères et peu pratiques pour des applications telles que le lidar.
La recherche a été financée par le US Army Research Office (ARO) et la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Les chercheurs bénéficient d'un financement via ARO et DARPA pour continuer à affiner leur processus afin d'ajouter encore plus d'étapes aux appareils. Et ils travaillent avec une entreprise de semi-conducteurs pour commercialiser la technologie.
Les ingénieurs prévoient également de marier leur dispositif d'escalier à plusieurs marches avec une photodiode à avalanche qu'ils ont construite l'année dernière et qui est sensible à la lumière proche infrarouge, ce qui ouvre de nouvelles applications telles que les communications par fibre optique et l'imagerie thermique.
« Cela devrait nous offrir le meilleur des deux mondes :une réponse à une gamme de couleurs plus large et une plus grande sensibilité aux signaux faibles en raison de la moindre amplification de bruit qui vient naturellement de l'architecture de l'escalier, ", a déclaré la Banque.