Comparaison des diff´ erentes m´ ethodes

Commen¸cons par passer en revue les principales m´ethodes pour compter les photons. Nous nous restreindrons `a celles qui on fait l’objet de d´emonstrations exp´erimentales. Ils en existe cependant d’autres commes celles utilisant des m´emoires quantiques qui peuvent th´eoriquement atteindre des efficacit´es sup´erieures `a 99 % [235, 236].

La table 8.1, en fin de section, r´esume les caract´eristiques des diff´erents compteurs pr´esent´es. Le multiplexage Il est possible d’utiliser des APD pour approximer un compteur de photons. Le principe consiste `a diviser le faisceau en plusieurs modes qui seront lus ind´ependamment ; le but est que les photons soient s´epar´es afin d’ˆetre tous d´etect´es. Dans le cas o`u nous devons mesurer un nombre n pr´ecis de photons nous pouvons nous contenter de n modes si la probabilit´e d’avoir plus de photons peut ˆetre rendue n´egligeable, mais l’efficacit´e sera amoindrie car un certain nombre d’´ev`enements correspondant au bon nombre de photons ne pourra ˆetre d´etect´e (lorsque plusieurs photons se retrouvent dans le mˆeme mode). Dans le cas g´en´eral le nombre de modes utilis´es devra r´esulter d’un compromis : d’un cˆot´e il est n´ecessaire de diviser le faisceau en suffisamment de parties pour que la probabilit´e que deux photons aillent dans le mˆeme mode soit faible, d’un autre cˆot´e plus il y a de modes plus les pertes optiques et les coups d’obscurit´es sont importants. Il existe deux types de multiplexage :

Le multiplexage spatial Il est principalement r´ealis´e `a l’aide de lames s´eparatrices et d’autant de d´etecteurs qu’il y a de modes [237, 238] ; c’est cette technique qui a ´et´e utilis´ee dans le groupe pour produire des ´etats de Fock `a deux photons [91, 92]. Il existe aussi une variante plus compacte consistant `a mettre en forme le faisceau pour qu’il soit ´egalement r´eparti sur une matrice de photodiodes `a avalanches [239, 240].

Le multiplexage temporel Appel´e TMD (pour time multiplexed detector ), il consiste `a d´e- caler temporellement les modes `a l’aide de fibres optiques ; il utilise ainsi bien moins de d´etecteurs. Il peut ˆetre r´ealis´e de deux mani`eres diff´erentes. La premi`ere est la configura- tion « balanc´ee » o`u le faisceau passe par une s´erie d’interf´erom`etres de Mach-Zender dont un des bras est bien plus long et de plus en plus long puis finit sur deux APD [241, 242]. La deuxi`eme est la configuration « boucl´ee » o`u il n’y a qu’une s´eparatrice dont une des sortie renvoie vers l’une des entr´ee et l’autre sur un seul d´etecteur [243, 244, 245]. Les comparaisons th´eoriques montrent que la configuration balanc´ee est la plus efficace [246]. Les d´etecteurs `a base de multiplication La multiplication n’est pas r´eserv´ee aux d´etec- teurs non discriminants. Il est possible d’obtenir une multiplication qui d´epend globalement du nombre de photons incidents.

Le tube photomultiplicateur (PMT) Certainement le plus ancien compteur de photons [247, 248], il fait appel `a des technologies rappelant nos vieux ´ecrans cathodiques. La multiplication est effectu´ee par des dynodes `a l’int´erieur d’un tube sous vide. Il a un temps de r´eponse tr`es court, mais souffre d’une tr`es faible efficacit´e quantique. Il reste cependant utilis´e dans bon nombre de dispositifs de spectroscopie et d’appareils de mesure ; c’est d’ailleurs le cas de notre auto-corr´elateur.

La photodiode `a avalanche Il a ´et´e r´ecemment d´emontr´e qu’en utilisant une photodiode `a avalanche en dessous du r´egime de saturation `a l’aide de techniques de suppression de bruit permettant de d´etecter de faibles avalanches il ´etait possible de compter les photons [249, 250, 251]. Cette technologie est balbutiante et n’est donc pas encore disponible pour des applications ; elle est n´eanmoins tr`es prometteuse de par sa simplicit´e d’utilisation. Le Visible Light Photon Counter (VLPC) Il fait aussi parti des d´etecteurs utilisant du

multiplexage et un processus d’avalanche, mais le dispositif est encore plus compact puisque le multiplexage a lieu au sein mˆeme du d´etecteur. Il utilise en effet des processus d’ava- lanche suffisamment bien contrˆol´es pour que celles-ci restent confin´ees dans de petites zones du d´etecteur, permettant ainsi a plusieurs photons de d´eclencher chacun une ava- lanche pourvu qu’ils n’arrivent pas dans la mˆeme zone active [274, 253]. Il est plus efficace qu’un multiplexage spatial [254], mais fonctionne `a temp´erature cryog´enique (7 K). Comptage direct des porteurs de charges Lorsque les photons sont absorb´es dans un semiconducteur, ils cr´eent des porteurs de charges. Si la multiplication augmente leur nombre afin d’obtenir un signal mesurable avec l’´electronique standard, il existe maintenant des techniques pour mesurer directement ces porteurs de charges.

Les d´etecteurs `a base de boites quantiques Ils sont constitu´es d’un transistor `a effet de champ contrˆol´e par une couche de boites quantiques. Il a pu ˆetre montr´e que le courant traversant le transistor subit des changements proportionnels aux nombre de porteurs de charge captur´es par les boites quantiques [255, 256]. Ces d´etecteurs fonctionnent `a temp´e- rature cryog´enique pour des efficacit´es encore faibles, celles-ci ´etant dues `a l’absorption `a l’int´erieur des couches semiconductrices, nous pouvons cependant esp´erer de bonnes am´e- liorations dans ce domaine.

Le photod´etecteur `a int´egration de charges Le CIPD (pour Charge-Integration Photon Detector ) utilise un composant commun : la photodiode PIN. Le but est alors d’utili- ser un amplificateur bas bruit suivi d’un circuit int´egrateur de charge afin de compter les porteurs de charges. Il fonctionne `a temp´erature cryog´enique (4 K) afin de r´eduire les coups d’obscurit´e qui sont pour le coup extrˆemement faibles. Les r´ealisations exp´erimen- tales montrent de tr`es bonnes efficacit´es mais sont centr´es sur la longueur d’onde t´el´ecom [257, 258] ; l’utilisation de photodiode `a base de silicium devrait cependant donner des r´esultats similaires `a nos longueurs d’ondes. Le principal inconv´enient est que le taux de r´ep´etion maximal qui a pu ˆetre d´emontr´e est seulement de 40 Hz.

Les d´etecteurs supraconducteurs Ce sont les d´etecteurs les plus complexes. Outre l’usi- nage de mat´eriaux supraconducteurs ils requi`erent un syst`eme cryog´enique demandant souvent de refroidir `a une temp´erature sub-kelvin. Ils ne d´etectent pas `a proprement parler le nombre de photons mais l’´energie absorb´ee, ce qui est cependant ´equivalent si on travaille `a longueur d’onde fix´ee. La plupart utilisent le principe du bolom`etre et sont capables de d´etecter de tr`es faibles variations locales de temp´erature en se pla¸cant `a proximit´e de la transition supraconducteur- r´esistif.

La jonction tunnel supraconductrice (STJ) Ils sont plus proches des d´etecteurs `a ava- lanches que des bolom`etres : l’absorption d’un photon cr´ee une quasi-particule qui va, `

a son tour, d´etruire des paires de Cooper, cr´eant ainsi un courant tunnel mesurable et proportionnel `a l’´energie absorb´ee [259, 260]. Leur efficacit´e est moins bonne que celle des autres d´etecteurs supraconducteurs, mais il est probable que celle-ci augmente dans les ann´ees `a venir.

Le d´etecteur supraconducteur de photons uniques (SSPD) Le SSPD (Superconducting Single Photon Dectector ) utilise un nanofil supraconducteur dispos´e en m´eandres sur la zone active et parcouru par un courant proche du seuil de transition supraconducteur- r´esistif. L’absorption d’un photon cr´ee alors un pont r´esistif conduisant `a un pic de tension mesurable [261, 262]. L’absorption de plusieurs photons `a des endroits diff´erents cr´ee plu- sieurs points chauds, ce qui ´equivaut `a mettre en s´erie les points r´esistifs [263]. Cette mesure est cependant tr`es peu pr´ecise `a cause des imp´edances en jeu. Une autre solution consiste alors `a multiplier les fils, soit en gravant par lithographie plusieurs nanofils sui- vant les mˆeme m´eandres [264], soit en mettant en parall`eles plusieurs m´eandres de nanofils [265, 266].

Le Transition Edge Sensor (TES) Un absorbeur est plac´e en contact thermique avec un film supraconducteur dont la temp´erature est juste en dessous de la temp´erature critique et auquel est appliqu´ee une tension constante. Dans cette configuration la r´esistance, et donc le courant traversant le film, d´epend fortement de la temp´erature [267]. En utilisant diff´erents absorbeurs il est possible d’utiliser les TES dans toutes les gammes du spectre ´

electromagn´etique. Les TES ont d’excellentes performances et ont d´ej`a ´et´e utilis´es avec succ`es dans le domaine de l’information quantique [95]. `A noter que les photons thermiques peuvent introduire des coups parasites, mais leur taux reste semblable `a celui d’une APD. Ils demandent par contre des mesures de courant complexes, g´en´eralement `a base de SQUID (Superconducting Quantum Interference Device).