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UNIVERSITÉ DESHERBR OOKE

Facultéde génieDépartementde génieélectrique etde génieinformatique

Conception d"unsyst èmed"acquisitionde

données pourunematrice dephoto diodes à avalanchemonophotoniqueconçueen technologieCMOS 65nm

Mémoire demaîtrise

Spécialité: génieélectrique

Marc-Olivier Mercier

Jury :Réjean Fon taine(directeur)

Jean-FrançoisPratte (co-directeur)

FrédéricMailhot

Dominique Drouin

Sherbrooke(Québec) Canadadécembre2017

À mafemme Martine,ma mèreCécile, mon

pèreJean-Marc là-haut,mon frèreet ma soeurJean-Philipp eetMarie-Hélène,mes beauxparen tsMarioetMarlène ettous ceux qui ontcontribué positivement àlaréussite de cepro jet...

RÉSUMÉ

La détectionde photonsest auc oeur deplusieurs domainesd"applicationsavecdes be- soins néanmoinsdifféren ts.Ilestde plusen plusnécessaire d"êtreen mesu rede calculerle temps dev olentrele tempsd"émission d"unphoton etson tempsd"arrivé.Lesapplications médicales, commela tomographi ed"émissionparp ositronsetlatomographieoptiquedif- fuse, nécessitentégalemen tl"utilisationdedétecteursquib énéficieraient grandement du calcul dutemps dev ol.Le projetdece mémoirefait partied"unprojet deconception d"un circuit intégréàapplicationsp éci fiqueconçu entechnologieCMOSTSMC65nm (CIAS) comportantunematrice deph oto diodes àavalanchemonophotoniquecapablesde détecter la présenced"un seulphoton. Sac aractéristiqueprincipale estl"in tégrationd"unconv er- tisseur tempsn umériqueàl"intérieur dec haquepixeldela matrice. Cettecaractéristique fait ensort equechaque photondétecté parunpixelest associé àune estampe detemps. Un telsystème peut générerunegrande quantité dedonnées.Cemo dede fonctionnement est appelécomp tagemonophotoniquecorréléentemps

1(CMCT), outrece mode defonc-

tionnement,la matriceest égalemen ten mesuredesupporterundeuxième mode oùon fait lasomm edesphotonsdétectés, onparle dumo dede comptagem onophoto niq uenon corrélé entemps (CMNCT).La solutionprop oséedans cedo cumentconsisteen uncircuit de lecturede donnéesainsi qu"unsystème d"acquisitionde donnéesp ourgérer leflux de données généréesparcettematrice.La premièrepartie ducircuit delecture dedonnées dans leCIAS setrouv eà l"intérieurd"unpixel quimesure environ2525m2et quifait l"interfacea vecleconvertiss eu rtempsnumérique.Lasecondepartiegèrelacommunication entreles pixelset lemonde externeau CIAS.Un systèmed"acquisition dedonnées externe au CIAS,conçu dansune matricede po rtesprogrammables (MPP),p ermetd"interfacer aveclecircuit dela matrice,de synchroniser, recevoir lesdonnées ettra nsmettredes com- mandes. Ilcomm uniqueégalementav ecuneinterface usagergraphique(IUG)quipermet de contrôleretd"automatiser lestests decaractérisation. Lesdébits detransmission sont de 6Mév énements/s(modeCMCT)et de12,5Mévénemen ts/s(mo deCMNCT) pour le lien CIAS-MPPetde20k événemen ts/s(mo deCMCT) etde41kévénements/s (CMNCT) pourle lienMPP-IUG. Mots-clés :Photodétecteurs,con vertisseurtempsnumérique,P AMP, circuitdelecture de données,système d"acquisitionde données,électronique 3D,comptage monopho- tonique corrélé/noncorré léentemps1

Il esta notéque lasignification duterme utilisédans cemémoire necorresp ondpas àson équivalen t

anglaisTCSPC. Ici,les estampes detempscorrélées entemps leson tselonlesignal d"horlogeet le

compteur interneauCIAS. To ute distinctionentresynchroneetasync hronen"est pasconsidéréepuisq ue

celle-ci seraittraitéeparle systèmehaut niveau, pasau nive au dudétecteurprésen tédans cedo cument.

REMERCIEMENTS

Ma maîtriseest sansn uldoute mameilleureexp ériencescolaire. Cettea ven turem"apermis de rencontrerdesgens extraordinairesainsi qued"approfondir mes connaissancesdans le domaine dela microélectronique. Cecin"auraitjamaisété possible sansla con fiancede mes codirecteursde recherc heRéjeanFontaineet Jean-François Pratte.Jenevousremercierai jamais assezde m"av oirdonnélachancede fairepartie dev otreéquipeet defaire ma maîtrise ausein dev otreéq uipe.Réjean, tapatienceettoncalmesontun einspiration, tu sais toujoursp oserlesbonnes questionsp ourn ou sameneràtrouverlesbonnes réponses par nousmême. Jean-François, tonauthenticitéet tone nthousiasmesont con tagieux.T a passion pourtondomaine dere cherc hene faitaucundouteetestvraimentcon tagieuse. Vousav ezmanifestementformé,niplus nimoins,leprofessionnel queje suisdev enu. Je nep ourraispasoubliermes deuxcollègues depro jet,F rédéricNolet etN icol asRoy . Je nep euxpasimaginerde meilleuresp ersonnesa vec quifaire cettemaîtrise.Tout sujet pouvaitêtreà l"ordredu jouret biensûr, toutediscussion finitinévitablemen tcomme une recherchesurWikip édia...sur laDeuxièmeGuerremo ndiale. Jetiens àm"excuser pour toutes cesheuresde dîneroù jesuis restéà monbureau malgrév osob jections.Je suis contentquev ousa yezmasan téàcoeur!F rédéric,ce futtoujoursplaisant d"av oirton opinion éclairéesur tousles sujetsp ossibles,tu asréellemen ttoutpour de venir professeur d"Universitéa vectacompréhensionnaturellement rapidede tousles sujets.Commepour Réjean, tusais poser lesbonnesquestions. Àmon voisindebureau, Nicolas,outre ton sourire contagieux,tues unedes personnes lesplus professionnellesque j"aicôtoyée. Onest sûr d"avoiruneprésentation parfaiteune foisqu"on apassé partes commentaires... même pourles images,on n"estpas tousdes prosdu Photoshop! Jete souhaitetout leb onheur du mondea vectapetitefamille, quim afoinecesse degrandir !Merci àFrédéricDub ois, ton aidelorsdes testset taparticipation ànos discussionsde conception,la contin uitédu projetest assurée !MerciàSamuelP aren tp ourtonaidelors delaréceptiondelapucede test, onn"aurait sûrement pasputestersans tonaide. Mercià Marc-AndréTétrault età Louis Arpinp ourvotreaide durantlepro jetpar lepartagede vos connaissances. Merci égalementàma femme,Martine pour sap atien ceetson so utientaucoursdesces trois années...et plusoù j"aitra vaillé desheures quejen"osepascompter.Je n"aurais jamais réussisans toi. iii

TABLED ESMATIÈRES

1 INTRODUCTION3

1.1 Objectifs.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .5

1.2 Plandu mémoire. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .5

2 DÉTECTIONDE PHOTONS7

2.1 Modedecomptage dephotons .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .7

2.1.1 Comptagemonophotonique corréléen temps. .. .. .. .. .. .. 7

2.1.2 Comptagemonophotonique noncorrélé entemps .. .. .. .. .. 8

2.2 Détectionet localisation parlalumière. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .8

2.2.1 Performancestemporelle etspatiale.. .. .. .. .. .. .. .. .. 9

2.3 Imageriemédicale. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .9

2.3.1 Latomographie d"émissionpar positrons .. .... .. .. .. .. .10

2.3.2 Latomographie optiquediffuse .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 11

2.3.3 Méthodesd"excitation. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 13

3 SYSTÈMEDE DÉTECTIONDE PHOTONS15

3.1 Photodétecteurs.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .15

3.1.1 Tubesphotomultiplicateurs. .... .. .. .. .. .. .. .. .. .1 5

3.1.2 Capteursà dispositif detransfertdec harge. .. .. .... .. .. .16

3.1.3 Photodétecteursàbase desilicium .. .. .. .. .. .. .. .. .. 17

3.2 Circuitd"étouffemen t... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .20

3.3 Convertisseurtempsnumérique .. .... .. .. .. .. .. .. .. .. .. 20

3.3.1 Implémentationsurmatrices dep ortesprogrammables .. .... .21

3.3.2 Convertisseurtempsnumérique conçusur circuitintégréà applica-

tion spécifique.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 21

3.3.3 Conclusion. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .21

3.4 Circuitde lecturede données. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 22

3.4.1 Communicationencascade .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .22

3.4.2 Communicationparproto cole. .... .. .. .. .. .. .. .. .. 23

3.4.3 Communicationparjeton .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .24

3.4.4 Conclusion. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .24

3.5 Conclusion. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .25

4 ARCHITECTUREDUCIR CUITDE LECTURE27

4.1 Analysedes besoins etdufonctionnement .. .. .... .. .. .. .. .. 27

4.2 Conceptiondu circuitde lecturen umérique. .. .... .. .. .. .. .. .28

4.2.1 Modélisationdescircuits an al ogiquesdupixel........ .. .. 28

4.2.2 Conceptiondu circuitde traitement dupixel .... .. .. .. .. .2 8

4.2.3 Conceptiondu circuitde lecturede colonne. .. .. .. .. .. .. 30

4.2.4 Conceptiondu circuitde lecturede lamatrice .. .. .. .. .. .. 31

4.2.5 Circuitde transmissiondes données. .. .. .. .. .. .. .. .. .32

v viTABLEDES MATIÈRES

4.2.6 Circuitde réceptiondes commandes. .. .. .. .. .. .. .. .. .33

4.3 Traductionducircuit numérique .. .... .. .. .. .. .. .. .. .. .. 34

4.3.1 Automatisationdu flotde conception. .. .. .. .. .. .. .. .. 34

4.3.2 Transfertauniv eaud esregistres.. .... .. .. .. .. .. .. .. 34

4.3.3 Placementetroutage .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 35

4.3.4 Intégrationav ecl"outildeconceptionanalogique. .. .. .. .. .. 35

4.4 Vérificationet validation descircuits.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .35

4.5 Conclusion. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .36

5 ARCHITECTUREDUSYSTÈME D"ACQUISITION DEDONNÉES 37

5.1 Besoinmatériel .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .37

5.1.1 Cartede développ ementavecmatricedep ortesprogrammables..37

5.1.2 Carted"in terfaceducircuitin tégré. .. .... .. .. .. .. .. .38

5.1.3 Générateurde délais. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .38

5.2 Conceptiondu systèmed"acquisition .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .38

5.2.1 Réception,traitemen tettransmissiondes donnéesdes matrices .. 39

5.2.2 Transmissionettraitemen td escommandes.. .... .. .. .. .. 40

5.3 Logicielde contrôle etd"analysededonnées .. .. .. .. .. .. .. .. .40

5.3.1 Matricesmixte etn umérique. .... .. .. .. .. .. .. .. .. .40

5.3.2 Convertisseurtempsnumérique .. .... .. .. .. .. .. .. .. 41

5.3.3 Circuitd"étouffemen t... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .42

5.4 Conclusion. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .43

6 RÉSULTATSEXPÉRIMENTAUX45

6.1 SynchronisationdelacommunicationSAD-CIAS .. .. .... .. .. .. 45

6.2 Résultatset discussion. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 46

6.2.1 Matricen umérique... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 47

6.2.2 Matricemix te... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .48

6.2.3 Discussion. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .50

6.2.4 Débitsde communication .... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 51

6.3 Conclusion. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .51

7 CONCLUSION53

LISTE DESRÉFÉRENCES 55

LISTE DESFIGURES

1.1 Historiquede l"imageriemédicale auGRAMS .. .. .. .. .. .. .. .. 4

2.1 Spectreélectromagnétique[26] .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .8

2.2 FonctionnementduLIDAR [44]. .... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .9

2.3 Fonctionnementd"unscannerTEP [33]. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .10

2.4 Principedefonctionnemen td"un scintillateurcoupléà unematrice depho-

todétecteurs[33] .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 11

2.5 Réponseoptiqued"un scintillateur [67]. .... .. .. .. .. .. .. .. .12

2.6 Exemplede systèmeTOD [70]. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 12

2.7 Troistyp esd"imagerieenTOD[10]. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .13

3.1 Fonctionnementd"untube photomultiplicateur [12].. .... .... .. .16

3.2 Pixeld"un capteurDTC .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 17

3.3 CapteurDTC vscapteur CMOS[11] .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .1 7

3.4 Gaind"une PDA etd"unePAMP [36]. .. .... .. .. .. .. .. .. .. 18

3.5 Tensiond"o pérationd"unePDA[59].. .. .... .. .. .. .. .. .. .. 18

3.6 Vueencoup ed"une jonctionPN[23]. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 19

3.7 Circuitt ypiqued"étouffementpassif [14]... .. .. .. .. .. .. .. .. 20

3.8 Circuitt ypiqued"étouffementactif [14]... .. .. .. .. .. .. .. .. .20

3.9 Fonctionnementd"unCLDen cascade. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 23

3.10 Fonctionnementd"unCLDpar protocole .. .. .... .. .. .. .. .. .23

3.11 Fonctionnementd"unCLDpar jeton. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 24

4.1 Pixelmixte vsn umérique. .... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .27

4.2 Circuitde traitement dupixelenmo deCMCT .. .. .... .. .. .. .. 29

4.3 Circuitde traitement dupixelenmo deCMNCT .. .. .... .. .. .. .30

4.4 Circuitde traitement decolonneenmo deCMCT .. .. .... .. .. .. 30

4.5 Circuitde traitement decolonneenmo deCMNCT .. .. .... .. .. .31

4.6 Circuitde traitement dematriceenmo deCMCT .. .. .... .. .. .. 32

4.7 Circuitde traitement dematriceenmo deCMNCT .. .. .... .. .. .32

4.8 Circuitde transmission. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 33

4.9 Circuitde réception. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 34

5.1 Carted"acquisition env ertet carted"interfaçagedu circuitin tégréen noir37

5.2 BerkeleyModel 745... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 38

5.3 Schémadusystèmecompletdepuis leCIAS jusqu"aulogiciel informati qu e. 39

5.4 Interfacegraphiquep ourle contrôledesmatrices .. .... .. .. .. .. .4 1

5.5 Interfacegraphiquep ourle contrôleduCTN .. .... .. .. .. .. .. .42

5.6 Interfacegraphiquep ourle contrôleduCE .. .... .. .. .. .. .. .. 42

6.1 Circuitin tégréàapplicationsp écifiquecon tenant lesdeuxmatrices. ...45

6.2 Matricen umériqueenmode CMNCTaprès synchronisation.. .. .. ..46

vii viiiLISTE DESFIGURES

6.3 Nombred"événemen tsreçusenmodeCMNCT av ecla matricenumérique. 47

6.4 Nombred"événemen tsreçusenmodeCMNCT av ecla matricenumérique,

2 rangéesactiv ées... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .48

6.5 Nombrededonnées reçuespar pixelsen mode CMCTa vec 5rangées désac-

tivées. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 49

6.6 Nombrededonn ées reçuparp ixelsen modeCMCTav ec6rangéesdésactivées49

6.7 Nombred"événemen tsreçuavecla matricemixte enmodeCMNCT.. .. 50

6.8 Nombred"impulsionsreçu av ecla matricemixteenmodeCMNCT .. .. .50

LISTE DESA CRONYMES

AcronymeDéfinitio n

CdA Carted"acquisition

CIAS Circuitin tégréàapplicationsp écifique(terme anglaisASIC)

CIMS Centred"ima geriemédicaledeSherbrooke

CLD Circuitde lecturede données

CLM Circuitde lecturede matrice

CMCT Comptagem onophotoniquecorréléentemps

CMNCT Comptagemonophotoniquenoncorréléen temps CMOS Semi-conducteurà oxy dedemétalcomplémentaire CTN Convertisseurtempsnumérique(terme anglaisTDC) DTC Dispositifàtransfert dec harges(terme anglaisCCD)

FDG Flurodéoxyglucose

GRAMS Groupederec herche enappareillagemédicaledeSherbrook e

ICV Interconnexionverticale (termeanglaisTSV)

IRM Imageriepar résonnancem agnétique

IUG Interfaceusagerg raphique (termeanglaisGUI)

LIDARDétection etlo calisationpar lalumière

MEVS Mémoireviv edynamique(termeanglais RAM)

MOS Semi-conducteurà oxy dedemétal

MPP Matricede portes programmables(termeanglaisFPGA) PAMPPhoto diodeàavalanc hemonophotonique (termeanglaisSPAD)

PDAPhoto diodeàavalanc he(terme anglaisAPD)

PEPS Premieren trépremiersortie(t ermeanglais FIFO) PMSi Photomultiplicateursursilicium(terme anglaisSiPM)

PTT Procédé,tensionettempérature

SAD Systèmed"acquisition dedonnées (terme anglaisDAQ) SDBT Signalisationdifféren tiellebassetension(terme anglaisLVDS)

TCO Tauxdecomptage enobs cu rité

TdVT empsdev ol

TEP Tomographied"émissionpar positron

TOD Tomographieoptiquediffuse

TPM Tubephotomultiplicateurix

xLISTE DESA CRONYMES

LISTE DEST ABLEAUX

4.1 Donnéesde réception. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .28

4.2 Commandesde configurationdu CLD. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 33

6.1 Donnéesde réception. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .51

2LISTE DEST ABLEAUX

CHAPITRE 1

INTRODUCTION

Le Groupede rechercheen appareillagemédicaldel"Univ ersitéde Sherbrooke(GRAMS) en collaborationav ecleCentred"imagerie moléculairede Sherbrooke(CIMS) travaillent depuis plusieursannées àla conceptionet l"améliorationde leurscanner précliniquede tomographie d"émissionpar positrons (TEP),leLabPET.Leur premierscanner commun, le LabPETI, aété conçua vec desphoto diodesavalanche. Le butétaitdevisualiserles mêmes détailsc hezleratque ceuxobserv ésc hezl"h umain.La deuxièmeitérationdu scanner, leLabPET II, viseles mêmesobjectifs,maispour lasouris. Pour yarriver, une résolutionspatiale submillimétriquea voisinan tlalimitephysiquedudé plac ement du positronest requise.Ce défi aexigé depasserdela photodio deunique àune matrice de photodiodes,uneétape complexe.Le prochainjalon d"améliorationp ourla famillede scanners LabPETest celuidu ratiocon tras te-b ruitquiamélioreraitlaqualitédel"image par l"introductiondelamesure dutemps dev ol(T dV)des photonsd"annihilation dans les algorithmesde générationd"i mage. Cecidemandeunnouveaut ype dephoto détecteu r. Une équipede concepteursélectroniquess"affaireactuellemen tau développ ement d"une nouvelletec hnologiecapabled"atteindreles spécifications requisesp ourle calculduTdV. Le groupeaopté pour l"utilisationde photodiodes àa valanc hemonophotonique(PAMP) égalementapp eléephotodiode àavala nc he(PDA)opéréeenmodenonlinéaire:lemode Geiger. Cettephoto diodepeutdét ecterunphotonunique grâceàsonextrêmesensibilité photonique. Dans l"optiquede démontrer lesperformancesp ossiblesdes PAMPpour laTEP,le GRAMS

3D adémarré lepro jetT ezzaron3D.Ce projetconsistaitàlaconception d"une matrice

de PAMPsuperp oséeàsescircuitsdecon trôlegrâce àla techni qu ed"électron iqu ee ntro is

dimensions. Étantlepremier projet en3D dugroupe,v oire canadien,le défiétait immense. Quatre grandessections faisaient partiede ceprojet:lesP AMP, lecircuit d"étouffement (CE), lecon vertisseurtempsn umérique(CTN)ainsiquelecircuit detraitementn umé- rique. Cep rojetpermettaitd"attribuerune estampedetemps àdes événemen tsprovenan t de lamatrice. Cesév énements étaientparlasuiteanalysés parlescircuitsn umériques.Ce projeta permis devaliderle fonctionnement d"unematricedeP AMPsup erposéeen3D avecl"électroniquede contrôle. 3

4CHAPITRE 1.INTR ODUCTIONFigure 1.1Historique del"imagerie médicaleau GRAMS

Cependant,cesystème étaitlimité àne générerqu"une seuleestamp etemp orellep ourla matrice. Unenouv elleitérationdece ttea ppro cheétaitdonc nécessaireafind"implanter un CTNp ourchaqueP AMPetd"attribuerune estampeindividuelle àc haqueP AMPto ut en permettantdefonctionnerdans unsecond mode soitla comptabilisationdu nombre de photonsdétectés. Pour inclureplusde fonctionnalitésdans depluspetits espaces,la technologieTSMC CMOS65 nma étéc hoisiep ourconcev oirce nouveaucircuit,ce qui amène àla questionde rec herche decemémoire: Dans unsystème oùil doitêtr ep ossiblede collecter lesdonnéespr ovenantd"une matrice de pixelc ontenantchacununCTN pouvant opér eren deuxmodesdiffér ents,comment concevoiruncir cuitde lectureen techn ologieTSMCCMOS65nm etun systèmed"ac- quisition dedonné espermetta ntdediscriminerlaprovenancede chaque estampe touten optimisant latail leducircuit intégr é?

1.1. OBJECTIFS5

1.1 Objectifs

Les objectifsrequisp ourrép ondreàlaquestion dereche rche sont lessuiv ants : - Prendreen charge deuxmodesde fonctionnement pourleco mpta gedephotons - Corrélésen tempsa vec estampeprovenant duCTN - Calculdu nombre dephotonsp ouruneduréed etemps déterminée - Désactivationdespixels défectueux - Transmission/réceptionà250 Mbitspar secondes - Optimisationdes donnéesde l"informationtransmise - Lecturerapide del"en tièretéde lamatrice

1.2 Plandu mémoire

Le chapitre2de cemémoire feraun pa rcoursdes applicationsb énéficiant dedétecteurs monophotoniques. Lec hapitre3feral"état del"art descircuits réalisésdans l"ensemble du projet.Les chapitres 4et5présen teront l"architecture choisie pourrépondreàla question et auxob jectifsdecepro jetde recherc he.Dansunpremier temps,il seraquestiondela

partie àl"in térieurducircuit intégréà applica tionspécifique(CIAS) eten secondtemps,

la partieexterne constituant lesystèmed"acquisition dedonnées etl"interfacede contrôle. Le chapitre6présen terales résultatsexpérimentaux lorsdes testsdu circuitetlechapitre

7 conclurale mémoireen faisant une rétrospectivedu projetenrésuman tlacontribution

sur l"avancementdelatechnologie desphoto détecteurs.

6CHAPITRE 1.INTR ODUCTION

CHAPITRE 2

DÉTECTION DEPHOTONS

Les photonsconstruisen tlemondeque nousv oy ons.Ils nousp ermettentdedétecterla présence d"objets,déterminerleur taille,leur temp érature,etc. Depuisle débutdela science, lalumière afasciné lesscien tifiques,d"Aristote àEinstein enpassantpar ledanois Ole ChristensenRømer quia réussià estimerla vitessede lalumière en1676 basésur des principesd"astronomie. Par lasuite,leséquations de Maxwell ont permis decalculerplus

précisémentla vitessede lalumière. Grâceà cesdécouv ertes,il estmain tenant possible

de situerdans letemps etl"espace desév énements ense basant surleurslumièresémises ou réfléchies. Plusieurs applicationsutilisentaujourd"h uilescaractéristiquesde lalumièrequece soit en photographie,en astronomie,en sécurité,etc. Cec hapitrea bordera deuxdomaines d"applications quinécessiten tladétectionde pho tons: l"imageriemédicale etladétection et localisationparla lumière(LID AR).Dans unpremier temps,deuxmodes de comptage de photonsp ourcesdeuxdomaines seront abordés.

2.1 Modedecomptage dephotons

2.1.1 Comptagemonophotonique corrélé entemps

Les RADARS,commeceuxutilisés pour détecterla vitessedes voituressurla route, utilisentle calculdu tempsde vol (TdV) d"unepulsation électromagnétique.Lorsque transportédans ledomaine photonique,ce principe relève dumo dedecomptagemono- photonique corréléen temps(CMCT)

1. Ilconsi steàattribuerune estampe de tempsà

un événementphotonique[16,19, 63]et permet decalculer leT dVdes photons.Enastro- nomie, toutcomme enlo calisation,le calculduTdV permet deconnaître ladistance des objetset leurtaille. Afinde fournirune estampe detemps, lescircuits CMCTnécessiten t des convertisseurstempsnu mérique (CTN)discutéultérieurementdanslechapitre 3.Plu- sieurs applicationsdans ledomaine médicalb énéficient dece modeetserontdi scutées dans lasection suivan te.1

Il esta notéque lasignication duterme utilisédans cemémoire necorresp ondpas àson équivalen t

anglaisTCSPC. Ici,les estampes detempscorrélées entemps leson tselonlesignal d'horlogeet le

compteur interneauCIAS. To ute distinctionentresynchroneetasync hronen'est pasconsidéréepuisq ue