Ce mémoire présente la réalisation et l'étude des Jonctions Supraconductrices à Effet Tunnel (JSET) de type Nb/Al-AIOx-Al/Nb, ainsi que les résultats préliminaires obtenus sur la détection et le comptage de photons à partir de ces jonctions. Les JSET incluent une couche supraconductrice photo-absorbante, en niobium ou en tantale épitaxié, dans laquelle l'énergie du photon incident est convertie en quasiparticules de durée de vie suffisante, à très basse température, pour être comptées par effet tunnel. Les couches eu aluminium, de gap réduit, fonctionnent comme un piège à quasiparticules et permettent d'augmenter l'efficacité du comptage. Une première étude a consisté en l'optimisation de la qualité cristalline des absorbeurs en niobium et en tantale. Les analyses structurale et électrique réalisées démontrent que ces films, déposés par pulvérisation cathodique magnétron sur saphir plan R chauffé à 600 °C, sont épitaxiés suivant la direction (100) et possèdent des rapports résistifs de l'ordre de 30 conduisant à des libres parcours moyens supérieurs à 50 nm. Dans un second temps, nous avons mis au point le procédé collectif d'élaboration des JSET, isolées ou sous forme matricielle, sur substrat trois pouces, en parallèle avec leur caractérisation électrique et magnétique à 4,2 K et 200 mK. La majorité des jonctions ont un excellent facteur de qualité (rapport de la résistance dynamique dans la partie sous le gap d'une caractéristique courant-tension sur la résistance normale de la jonction) supérieur à 250000 à 200 mK, preuve d'un procédé de fabrication fiable et reproductible. Finalement, nous démontrons la faisabilité du comptage de photons dans F l'infrarouge proche (.>.. = 0,78 mu m) à l'aide d'un détecteur mono-pixel basé sur une JSET à absorbeur en niobium, refroidie à 200 mK dans un réfrigérateur à dilution et lue par une électronique d'amplification et d'aquisition. L'utilisation de tels détecteurs aux performances inégalées ouvre la voie à d'importantes applications en astronomie dans le domaine du visible au proche infrarouge.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les interféromètres stellaires sont des dispositifs à très haute résolution angulaire, permettant une étude approfondie de l’Univers. Cette thèse décrit la mise en place en laboratoire d’un interféromètre à somme de fréquences dédié à la détection de rayonnement infrarouge en bande L :ALOHA@3.39. Afin de pouvoir limiter le bruit généré par les rayonnements thermiques ambiants et de pouvoir bénéficier des technologies matures en terme de détection et de transport cohérents de la lumière collectée, ce système intègre sur chacune des voies interférométrique un processus non linéaire de somme de fréquence. Les rayonnements autour de 3.39 μm sont transposés autour de 810 nm via des cristaux de PPLN alimentés par une pompe unique à 1064 nm. Une première partie présente le contexte expérimental et théorique de la thèse. La deuxième partie concerne la conception, la réalisation et la caractérisation du banc ALOHA@3.39. La troisième partie présente les résultats expérimentaux obtenus en laboratoire. La mesure répétée du contraste en régime de fort flux permet de calibrer le contraste instrumental du montage. Les premières mesures en régime de comptage de photons montrent que nous sommes actuellement capables de détecter des franges d’interférence avec de hauts contrastes en ne disposant que de 100 Fw à l’entrée de chacune des voies. Enfin, nos investigations nous ont amené à la détection de franges d’interférences via le prototype ALOHA@3.39 à partir d’une source thermique, assimilable à un corps noir. Cette thèse conclue sur une estimation de la magnitude limite accessible, et sur l’utilisation de nouvelles technologies de PPLN. / Stellar interferometers are high angular resolution devices, allowing for detailed research of the Universe. This thesis describes the in-lab implementation of a sum frequency generation interferometer dedicated to the infrared detection in the L band : ALOHA@3.39. In the aim of limiting thermal noise due to the room radiation, and benefit mature detectors and fibered components, this device includes a sum frequency generation non-linear process on each of its arms. Stellar radiations around 3.39 μm are transposed to around 810 nm thanks to PPLN cristals powered by a single pump signal at 1064 nm. The first part presents our global experimental context and theoretical elements about this thesis. The second part deals with the conception, the implementation and characterisation of the test bench ALOHA@3.39. The third part tables in-lab experimental results. Repeated measurements of the fringe contrast on high flux regime allow to calibrate the instrumental contrast of the set-up. First measurements on photon counting regime show we are currently able to detect interference fringes with high contrast with only 100 fW at the input of each arm. Finally, our research led us to realise interference fringes detection via the ALOHA@3.39 prototype, observing a thermal source, considered as a black body. This thesis concludes on an estimation of the limiting reachable magnitude, and on the future use of new PPLN technologies.

Le processus de somme de fréquences optiques est utilisé dans certaines applications pour convertir des signaux de longueurs d’onde infrarouges vers le domaine de longueurs d’onde visibles. Cela permet de bénéficier de technologies plus performantes notamment en terme de détection et de propagation. Les travaux menés dans cette thèse s’intéressent à l’étude de phénomènes optiques parasites générés par ce processus non linéaire dans des cristaux de niobate de lithium périodiquement polarisés (PPLN) pour des applications de conversion de fréquences en régime de comptage de photons. La première partie de ce manuscrit montre l’intérêt du processus de somme de fréquences optiques dans le contexte technologique de la détection infrarouge en régime de comptage de photons, via le concept de détection hybride. Les éléments théoriques et l’état de l’art associés à la détection hybride seront également présentés dans cette première partie. La deuxième partie traite d’une étude comparative entre différents cristaux de PPLN pour la détection hybride à 1550 nm. Pour cela, une analyse expérimentale détaillée des processus parasites est effectuée. Les résultats de cette étude sont utilisés pour des applications en astronomie et en microscopie. Enfin, la troisième partie traite d’une application de la somme de fréquences en interférométrie stellaire. Les résultats de caractérisation des cristaux de PPLN sont mis à contribution dans l’optimisation d’un instrument pour l’astronomie appelé interféromètre à somme de fréquences. Les résultats d’observation sur le site astronomique du Mont Wilson ainsi que les perspectives de cette instrument y sont présentés. / The sum frequency generation process is used in differents applications to convert signals from infrared wavelengths to the field of visible wavelength. This allows to benefit of more efficient technologies in terms of detection and propagation. This thesis describes the study of noise phenomena generated by this process in crystals of periodically poled lithium niobate (PPLN) for frequency up-conversion applications in photon counting regime. The first part of the manuscript shows the advantage of sum frequency generation process in the technological environment of the infrared detection on single photon counting regime, using the concept of hybrid detection. The theoretical elements and the state of the art associated with hybrid detection will also be presented in this first part. The second part deals with a comparative study between different PPLN for hybrid detection at 1550 nm. A detailed experimental analysis of the noise process is performed. The results of this study are used for applications in astronomy and microscopy. The third part deals with an application of the sum frequency in stellar interferometry. The results of PPLN’s characterization are involved in optimizing an instrument for astronomy called sum frequency interferometer. The results of observation on the astronomical site of Mount Wilson and the prospects of this instrument are presented.

Ce manuscrit présente mon travail de thèse portant sur le détecteur de photons uniques electron-bombarded CMOS (ebCMOS) à haute cadence de lecture (500 images/seconde). La première partie compare trois détecteurs ultra-sensibles et et leurs méthodes d'amélioration de la sensibilité au photon : le CMOS bas bruit (sCMOS), l'electron-multiplying CCD (emCCD) à multiplication du signal par pixel et l'ebCMOS à amplification par application d'un champ électrique. La méthode de mesure de l'impact intra-pixel des photons sur le détecteur ebCMOS est présentée. La seconde partie compare la précision de localisation de ces trois détecteurs dans des conditions extrêmes de très bas flux de photons (<10 photons/image). La limite théorique est tout d'abord calculée à l'aide de la limite inférieure de Cramér-Rao pour des jeux de paramètres significatifs. Une comparaison expérimentale des trois détecteurs est ensuite décrite. Le montage permet la création d'un ou plusieurs points sources contrôlés en position, nombre de photons et bruit de fond. Les résultats obtenus permettent une comparaison de l'efficacité, de la pureté et de la précision de localisation des sources. La dernière partie décrit deux expériences réalisées avec la caméra ebCMOS. La première consiste au suivi de nano-cristaux libres (D>10 μm²/s ) au centre Nanoptec avec l'équipe de Christophe Dujardin. La seconde s'intéresse à la nage de bactéries en surface à l'institut Joliot Curie avec l'équipe de Laurence Lemelle. L'algorithme de suivi de sources ponctuelles au photon unique avec l'implémentation d'un filtre de Kalman est aussi décrit.

La luminescence induite par STM (microscopie à effet tunnel) est une source d'informations d'une grande richesse sur les processus électroniques au sein d'un objet nanoscopique individuel. Nous nous sommes intéressés à une jonction Au/Au(111) sous vide puis dans un milieu moléculaire. L'étude sous vide a permis de montrer l'influence des variations spatiales des densités d'états de la surface. L'émission à l'interface liquide-solide a été démontrée et le rôle de la fonction diélectrique du solvant mis en évidence. Nous avons ensuite étudié les corrélations temporelles entre les photons émis. Selon le liquide environnant la jonction, les photons peuvent être émis par paquets. Nous relions ce phénomène à la modification structurelle de la jonction induite par la présence d'une molécule et à la différence d'énergie entre ses orbitales frontières. Si elle est assez faible, des chemins tunnel résonants existent et les électrons traversent la barrière par paquets. L'influence d'une couche auto-assemblée sur le substrat est étudiée. Des dérivés de triphénylènes interagissent trop faiblement avec Au(111), mais avec des alcanethiols chimisorbés, la résolution moléculaire est atteinte simultanément sur l'image STM et la carte de photons. Nous montrons que le contraste sur cette dernière provient de la modulation de l'extension spatiale à l'intérieur de la barrière des densités d'état locales due à la liaison S-Au. L'élaboration de multicouches organiques est alors envisagée pour observer l'électroluminescence d'une molécule unique, isolée du substrat par les thiols et étudier des corrélations d'origine électronique. Nous avons déjà caractérisé optiquement une telle couche de C60.

L'objectif de la thèse est de proposer une solution pour un circuit intégré matriciel pour l'imagerie de rayons X fonctionnant, soit en mode spectrométrique où l'énergie de chaque photon X est mesurée, soit en mode d'intégration de charges où l'énergie totale déposée par les rayons X pendant une image est mesurée, la solution devant être à terme compatible avec un détecteur de grande surface typiquement de 20 cm x 20 cm. Un circuit de test (ASIC), ‘Sphinx' de 20 x 20 pixels au pas de 200 µm x 200 µm, en technologie CMOS 0.13 µm a été conçu pour servir de preuve du concept proposé. L'architecture de pixel retenue permet la quantification de la charge incidente par des paquets de contre-charges aussi bas que 100 électrons, ces contre-charges étant comptabilisées, soit pour chaque photon X (mode spectrométrique), soit pour la totalité des photons détectés pendant une image (mode intégration). Les premières mesures de caractérisation prouvent la validité du concept avec de bonnes performances en termes de consommation, bruit et linéarité. Une partie des pixels est dédiée à la détection directe des rayons X, ceux-ci étant alors convertis en charges électriques dans un semi-conducteur, tel que CdZnTe par exemple, lequel semiconducteur est couplé pixel à pixel à l'ASIC. Une autre partie des pixels est dédiée à la détection indirecte des rayons X, ceux-ci étant alors convertis en photons visibles dans une couche scintillatrice, telle CsI : Tl par exemple, et chaque pixel de l'ASIC possédant alors une photodiode. Pour ce dernier mode, de nouvelles formes de photodiodes rapides et peu capacitives ont de plus été conçues, simulées, et fabriquées en technologie CMOS 0.13 µm sur un autre ASIC. Enfin, la thèse se conclut en proposant des idées d'amélioration de performances à réaliser potentiellement dans un futur prototype. / The objective of the thesis is to propose a solution for a 2D integrated circuit X-ray imager working, either in spectrometric mode where each X photon energy is measured, or in charge integration mode where the total energy deposited by X-ray during an image is measured, the solution being compatible with large area detectors typically of 20 cm x 20 cm. A proof of concept prototype ASIC 'Sphinx' was designed and fabricated in CMOS 0.13 µm technology; the ASIC being formed of a matrix of 20 x 20 pixels with a 200 µm pixel pitch. The designed architecture allows the quantification of the incoming charge through the use of counter-charge packets as low as 100 electrons. The injected packets are counted for each X photon (in the spectrometric photon counting mode), or for all charges integrated during the image period (in charge integration mode). First characterization measurements prove the validity of the concept with good performance in terms of power consumption, noise, and linearity. A first part of the ASIC is dedicated to X-ray direct detection where a semiconductor, e.g. CdZnTe, hybridized to the ASIC's pixels converts X-photons to electrical charge. Another part of the ASIC is dedicated indirect X-ray detection where a scintillator, e.g. CsI:Tl, is used to convert X-photons to visible photons which are then detected by in-pixel photodiodes. For the latter mode, new forms of photodiodes characterized by fast detection and low capacity were designed, simulated, and fabricated in CMOS 0.13 µm technology on a different ASIC. Finally, the thesis concludes with proposing performance enhancing ideas to be potentially implemented in a future prototype.

La tomographie optique diffuse (TOD) est une méthode d'imagerie médicale émergente permettant de faire l'acquisition des coefficients d'absorption et de diffusion, de même que la détection d'inclusions fluorescentes ou bioluminescentes à l'intérieur d'un sujet. Ce type d'imagerie vise de nombreuses applications, dont la mammographie optique, l'imagerie cérébrale fonctionnelle et l'imagerie sur petits animaux pour la recherche préclinique. La TOD utilise la lumière laser rouge et proche infrarouge pour illuminer le sujet à l'étude. Les photons diffus ressortant du sujet sont ensuite captés par des détecteurs tout autour de l'animal. L'acquisition de données en TOD peut être réalisée dans trois régimes d'opération, soit le régime continu, les mesures dans le domaine fréquentiel et les mesures dans le domaine temporel. Ce dernier régime permet l'obtention d'information beaucoup plus riche que les autres régimes, et est donc le sujet d'intérêt du présent mémoire. Depuis plusieurs années, le laboratoire TomOptUS développe l'instrumentation nécessaire aux systèmes de TOD à mesures dans le domaine temporel (TOD-DT) pour l'imagerie moléculaire in vivo sur petits animaux. Des travaux récents ont mené à la réalisation d'un scanner TOD-DT sans contact et à angles de vue multiples, de même qu'au développement des algorithmes de reconstruction d'image. Le scanner actuel ne permet toutefois pas l'imagerie de sujets vivants, le temps d'acquisition étant trop long pour garder un animal sous anesthésie. Pour améliorer significativement la sensibilité, le nombre de canaux de détection autour du sujet doit être augmenté afin d'éviter le balayage mécanique de multiples positions de détecteurs. Le système actuel a toutefois atteint son plein potentiel, ses possibilités d'expansion étant limitées par le système d'acquisition de données. Les travaux de recherche du présent mémoire portent sur la conception de l'électronique d'un système d'acquisition spécialement conçu pour la TOD-DT et pour l'intégration d'un plus grand nombre de canaux (64 et plus) dans l'anneau de détection. Ce système propose une architecture à canaux multiples extensible permettant de combiner plusieurs canaux dans un seul système d'acquisition. Son système électronique modulaire à carte mère et cartes filles supporte tous les types de détecteurs monophotoniques sur le marché et s'adapte à tout type de signal. Le système d'acquisition offre aussi un procédé de calibration entièrement programmable permettant d'éviter l'ajustement manuel des longueurs de câble lors de l'assemblage du système. Comme le système utilise uniquement des composants électroniques disponibles sur le marché, le coût par canal est réduit de plus d'un ordre de grandeur, passant de > 10 000 CAD pour un système conventionnel à < 750 CAD pour le système dédié. Ce dernier offre des performances très compétitives par rapport aux systèmes d'acquisition commerciaux, avec une taille de bin de 13,02 ps, une précision moyenne de 19 ps largeur à la mi-hauteur (LMH) et une non-linéarité intégrale maximale de 10% LSB.

Les progrès dans la miniaturisation des transistors permettent de réaliser des circuits toujours plus performants. En contrepartie, dans le cas où il y a défaillance, l'analyse de ces circuits est plus délicate. L'étape de localisation du défaut est la plus critique de ce processus. En effet, il s'agit de rechercher des éléments de plusieurs dizaines de nanomètres sur une surface de plusieurs centimètres carrés.Les techniques optiques telles que l'émission de lumière dynamique (TRI) sont particulièrement pertinentes dans ce contexte. Celle-ci est basée sur l'acquisition et l'exploitation des photons émis par une structure CMOS lorsqu'il y a commutation. De par son principe physique, cet outil possède donc un effet invasif limité et est adaptée à l'analyse de défauts qui se manifestent lors d'une stimulation dynamique du composant. La complexité des circuits de technologies avancées a mis en évidence certains verrous physiques et technologiques qui peuvent compromettre les analyses réalisées à l'aide de cet outil. Ainsi, le faible rapport signal sur bruit, une résolution spatiale non nécessairement adaptée aux éléments étudiés et l’énorme quantité de données/signaux générés sont autant d'éléments qui contre-indiquent une approche d'analyse des acquisitions purement manuelle.Ces travaux de thèse ont pour objectif d’explorer les possibilités offertes par un traitement post-acquisition des observations, dans le but de résoudre ou contourner les problématiques susmentionnées. Cela permettra alors à l’expert de formuler un diagnostic plus précis. En définitive, il s'agit d’une extraction et d’une synthèse d’informations à partir de signaux de tailles importantes et fortement bruités. Dans cette optique, deux approches principales originales ont été développées. La première vise à établir la cartographie d’un paramètre électrique variant dans le temps et dans l'espace. En conséquence, elle fait appelle aux outils de traitements signaux de dimension 2D et 1D. La seconde approche est fondée sur l'utilisation d'outils de statistiques exploratoires. Plus précisément, il s’agit de la combinaison d’outils de classification non-supervisée et d’une étude statistique des classes résultantes dans l’optique d’une recherche d’évènements de commutation aux propriétés anormales (suggérant un lien du nœud considéré avec le défaut) ou d’émission manquante ou additionnelle (qui résultent d'une différence de comportement logique entre deux composants). Ces deux approches s'avèrent complémentaires puisque ce sont deux regards différents d’un même jeu d'observations et chacune apporte de nouvelles informations à l’expert. / Scaling progresses has the benefit of making chips always more powerful. On the other hand, when there is a failure, the analysis of such advanced devices has became more sensitive. The defect localization step of this process is the critical one. Indeed, the aim is to find transistors which dimensions range in several nanometers on a device which surface is several square centimeters.Optical techniques like dynamical photon emission, also named Time Resolved Imaging (TRI), have proved to fit in such context. The later is based on the acquisition and exploitation of photons emitted by a switching CMOS structure. Due to its physical bacground, this tool has a limited invasive effect and can be used to analyze defect generating faults during a dynamical stimulation of the device. The complexity of the chips manufactured in advanced technologies has brought out some physical and technical limitations which can jeopardize analysis performed with this tool. To be more specific, signal over noise ratio can be quite low, so as the spatial resolution compared to the studied structures. In addition, complex circuits require long test sequences, generating huge quantities of photons to analyse. As a conclusion, all of these phenomenon forbid a simple manual procedure if ones expect to extract the emission signature of the defect in such data.The work reported in this thesis aims to develop new approaches of processing at the post-acquisition level, in order to solve or workaround the various aforementioned issues. It will enable the analyst to formulate an even better and more precise diagnosis.The task consists in extracting and synthesizing the information available in large amount of noisy signals. With that superpose in mind, two main approaches have been studied and developed. The first one establish a mapping of one parameter the electrical signals varying through time and space inside the acquisition area. It is based on a mixture of signal processing tools for 2D 1D signals. The second approaches uses data mining. More precisely, it combines clustering to statistical analyses of the resulting classes in order to find an emission event which is unexpected or having unusual properties, suggesting a candidate for failure. These two processes are complementary as they bring different information to the analyst.

La caméra à pixels hybrides XPAD3 intégrée dans le micro-CT PIXSCAN II est un nouveau dispositif dans lequel le comptage de photons remplace l’intégration de charges utilisée dans les systèmes de radiographie standard. XPAD3 apporte des avantages, en particulier l’absence de bruit de courant noir et la possibilité d’imposer un seuil de discrimination sur chaque pixel. Ces particularités ont pu être exploitées au cours de ce travail de thèse en imagerie préclinique classique sur petit animal et ont permis de faire la preuve de faisabilité d’un marquage ex vivo puis intra-vital des macrophages. D’autre part les capacités de cette caméra sont intéressantes pour le développement d’une nouvelle méthode d’imagerie spectrale dite au K-edge. L’imagerie au K-edge permet de différencier des compartiments contenant un agent de contraste par rapport à l’os dans des radiographies classiques. Elle est obtenue via l’étalonnage de 3 différents seuils autour de l’énergie de liaison de la couche K de l’agent de contraste considéré. Le développement d’un nouvel d’étalonnage avec l’utilisation de pixels composites a permis d’établir la preuve de concept d’un brevet et d’obtenir les premiers résultats sur souris vivantes en divisant le temps d’acquisition par 3 avec un compromis sur la résolution spatiale. Cette nouvelle approche peut être implémentée en "2 couleurs" pour séparer deux différents types d’agents de contraste. Ceci offre une nouvelle manière de visualiser des informations biologiques pertinentes dans un contexte applicatif visant à étudier de manière dynamique (longitudinale) l’interdépendance de la vascularisation et de la réponse immunitaire au cours du développement tumoral. / The hybrid pixel camera XPAD3 integrated in the micro-CT PIXSCAN II is a new device for which photon counting replaces charge integration used in standard X-ray CT. This novel approach involves advantages, in particular the absence of dark noise and the ability to set an energy threshold on each pixel of the detected photons. This features has been exploited during this thesis work for standard small animal preclinical imaging and permitted to establish the faisability of ex vivo, and then in vivo labelling of marcrophages. On another hand, the ability of this camera is of uppermost importance for the development of K-edge imaging approaches, which exploit spectral information on the counted photons. K-edge imaging permits to identify contrast agent compartiments with regards to bones in classical radiography. K-edge imaging is obtained by selecting, for each pixel calibration, those pixel that are set at one of the three different thresholds around the K-shell’s binding energy of the selected contrast agents and then to proceed with a subtraction analysis to the images obtained above and below the K-edge energy. We develop a new way of calibrating the XPAD3 detector that permits to provide the proof of concept of a patent, and to obtain the first results on living mice by dividing the acquisition time by three with a compromise on the resolution. This novel approach can be implemented in “2 colours” in order to separate clearly two different contrast agents. This brings a new way to visualize biological information and to provide possible future approaches for the study of the inter-dependance of vascularisation and inflammation during the tumor development.