Le télescope spatial James Webb de la NASA (JWST) utilise la spectroscopie infrarouge moyenne pour analyser précisément les composants moléculaires tels que la vapeur d'eau et le dioxyde de soufre dans les atmosphères d'exoplanet. La clé de cette analyse, où chaque molécule présente une «empreinte digitale» spectrale unique, réside dans une technologie de photodétector très sensible capable de mesurer des intensités de lumière extrêmement faibles.
Récemment, les chercheurs kaist ont développé un photodétecteur innovant capable de détecter un large éventail de spectres infrarouges moyens, attirant une attention significative. Une équipe de recherche dirigée par le professeur Sanghyeon Kim de la School of Electrical Engineering a développé un photodétecteur d'infrarouge moyen qui fonctionne de manière stable à température ambiante, marquant un tournant majeur pour la commercialisation de capteurs optiques ultra-compacts.
L'œuvre est publiée dans la revue Lumière: Science et applications.
Le photodétecteur nouvellement développé utilise des processus CMOS à base de silicium conventionnels, permettant une production de masse à faible coût tout en maintenant un fonctionnement stable à température ambiante.
L'équipe de recherche a démontré avec succès la détection en temps réel du dioxyde de carbone (CO2) Le gaz utilisant des capteurs optiques ultra-compacts et ultra-minces équipés de ce photodétecteur, prouvant son potentiel de surveillance environnementale et d'analyse des gaz dangereux.
Les photodétecteurs infrarouges moyens existants nécessitent généralement des systèmes de refroidissement en raison du bruit thermique élevé à température ambiante. Ces systèmes de refroidissement augmentent la taille et le coût de l'équipement, ce qui rend la miniaturisation et l'intégration dans des dispositifs portables difficiles.
En outre, les photodétecteurs conventionnels infrarouges moyens sont incompatibles avec les processus CMOS à base de silicium, limitant la production et la commercialisation à grande échelle.
Pour répondre à ces limites, l'équipe de recherche a développé un photodétecteur intégré à guide d'onde à l'aide de Germanium (GE), un élément du groupe IV comme le silicium. Cette approche permet une détection infrarouge à large spectre à large spectre tout en garantissant un fonctionnement stable à température ambiante.
Un guide d'onde est une structure conçue pour guider efficacement la lumière le long d'un chemin spécifique avec une perte minimale. Pour implémenter diverses fonctions optiques sur une puce (sur puce), le développement de photodétecteurs intégrés à un guide d'onde et de composants optiques à guide d'onde est essentiel.
Contrairement aux photodétecteurs conventionnels qui reposent principalement sur des principes d'absorption des bandes, cette nouvelle technologie exploite l'effet bolométrique, ce qui lui permet de détecter toute la plage spectrale infrarouge moyenne. En conséquence, il peut être largement appliqué à la détection en temps réel de diverses espèces moléculaires.
Le photodétecteur infrarouge médian intégré à guide d'onde développé par l'équipe de recherche est considéré comme une innovation révolutionnaire qui surmonte les limites des technologies de capteurs infrarouges moyens existantes, y compris le besoin de refroidissement, les difficultés de production de masse et les coûts élevés.
Cette technologie révolutionnaire devrait être applicable dans divers domaines, notamment la surveillance environnementale, le diagnostic médical, la gestion des processus industriels, la défense et la sécurité nationales et les appareils intelligents. Il ouvre également la voie aux progrès des capteurs infrarouges moyens de nouvelle génération.
Le professeur Sanghyeon Kim de Kaist a déclaré: «Cette recherche représente une nouvelle approche qui surmonte les limites des technologies photodétectrices infrarouges moyens existantes et a un grand potentiel pour des applications pratiques dans divers domaines.
« Étant donné que cette technologie de capteur est compatible avec les processus CMOS, il permet une production de masse à faible coût, ce qui le rend très adapté aux systèmes de surveillance environnementale de nouvelle génération et aux sites de fabrication intelligents. »
