Etude de la réponse de détecteurs infrarouge refroidis aux fines échelles spectrales // Study of the response of cooled infrared detectors at fine spectral scales

L'Observation spatiale de la Terre, que ce soit pour les missions scientifiques et mais aussi pour la défense, est en plein essor et donne généralement lieu au développement d'instruments optiques hautes performances permettant d'améliorer la résolution spatiale, la résolution spectrale ou la sensibilité de détection. Les spectromètres et imageurs hyperspectraux, permettant le suivi des émissions de gaz à effet de serre, peuvent être réalisés sur la base de systèmes dispersifs ou interférométriques ; ils exigent des calibrations spécifiques afin de garantir la qualité des mesures radiométriques. C'est également le cas d'imageurs multi-spectraux observant la Terre au travers de filtres discrets étroits afin de répondre à des thématiques météorologiques, d'environnement ou d'alerte avancée de départs de missiles.

Quel que soit le dispositif optique amont utilisé pour réaliser la sélection spectrale, le détecteur matriciel est un élément clef pour atteindre les performances requises. La caractérisation spectrale des détecteurs est généralement réalisée à l'aide d'un monochromateur dans le domaine visible et SWIR (0.4-2.5µm) et d'un spectromètre à transformée de Fourier dans le domaine thermique (au-dessus de 3µm). Chaque technique présente des avantages et inconvénients en termes de résolution spectrale, de rapport signal à bruit, d'uniformité d'éclairage, de simplicité de mise en œuvre et/ou de traitement des données.

L'objectif de cette thèse sera d'améliorer la précision de mesure de la réponse spectrale de détecteurs infrarouges matriciels, dans le domaine eSWIR (jusqu'à 2.5µm) et le MWIR (jusqu'à 5µm). Plusieurs axes de recherche seront explorés pour dépasser les limites actuelles. Du point de vue expérimental, le (la) doctorant(e) sera amené à travailler sur : l'amélioration de la technique interférométrique en utilisant une sphère intégrante en infragold dans un banc cryogénique, le développement d'un banc de mesure à longueur d'onde accordable (monochromateur ou laser accordable), la comparaison des techniques de mesure sur des détecteurs de différentes technologies (HgCdTe, super-réseaux).

Les travaux s'appuieront sur un outil de modélisation optique du pixel développé en Python dans une thèse précédente pour analyser la réponse spectrale obtenue et comprendre les éventuels écarts observés entre les méthodes. Un des objectifs théoriques de la thèse sera d'enrichir cet outil de modélisation pour intégrer, notamment, les phénomènes de transport de charge au sein du pixel du détecteur et prendre en compte différents matériaux absorbants.

Le (la) doctorant(e) bénéficiera de l'expertise reconnue de notre équipe en termes de conception de bancs de caractérisation électro-optique et de modélisation physique.
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Earth observation from space, whether for scientific missions or for defence purposes, is rapidly expanding and generally involves the development of high-performance optical instruments aimed at improving spatial and spectral resolution, as well as detection sensitivity. Hyperspectral spectrometers and imagers, which enable the monitoring of greenhouse gas emissions, can be based on dispersive or interferometric systems; they require specific calibrations to ensure the quality of radiometric measurements. The same applies to multispectral imagers observing the Earth through narrow discrete filters, designed to address meteorological, environmental, or early missile-launch detection applications.

Regardless of the front-end optical system used for spectral selection, the imaging detector is a key component in achieving the required performance. Spectral characterisation of detectors is generally performed using a monochromator in the visible and SWIR domains (0.4–2.5 µm), and a Fourier transform spectrometer in the thermal domain (beyond 3 µm). Each technique offers advantages and drawbacks in terms of spectral resolution, signal-to-noise ratio, illumination uniformity, ease of implementation, and/or data processing.

The aim of this PhD project is to improve the measurement accuracy of the spectral response of infrared imaging detectors in the eSWIR (up to 2.5 µm) and MWIR (up to 5 µm) ranges. Several research directions will be explored to exceed current limitations. From an experimental standpoint, the PhD candidate will work on: improving the uniformity of the interferometric technique using an infragold integrating sphere in a cryogenic setup; developing a tuneable-wavelength measurement bench (using a monochromator or a tuneable laser); and comparing measurement techniques across detectors of different technologies (HgCdTe, superlattice).

The work will build on an optical pixel modelling tool developed in Python during a previous PhD thesis, used to analyse the obtained spectral responses and understand any discrepancies observed between methods. One of the theoretical objectives of the thesis will be to enhance this modelling tool to include, in particular, charge transport phenomena within the detector pixel and different materials for the active layer.

The PhD candidate will benefit from the team's recognised expertise in the design of electro-optical characterisation benches and physical modelling.
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Début de la thèse : 01/10/2026
WEB : https://w3.onera.fr/formationparlarecherche/physique-des-semiconducteurs-rayonnement-infrarouge-thermique-reponse-spectrale

Cifre

Contrats ED : Programme blanc GS-Physique*Financement de l'ONERA*Financement par une entreprise - hors CIFRE

Université Paris-Saclay GS Physique

572 Ondes et Matière

Opto-électronique Physique des semi-conducteurs Métrologie
Opto-electronics Physics of semiconductor Metrology