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Module mélangeur ultra-sensible intégré et encastrable dans le domaine THz

Description

Contexte :

Pour le développement des futurs télescopes, ou plus généralement pour tous les instruments hétérodynes, l’imagerie spectroscopique de haute résolution dans le domaine THz est un enjeu important qui suscite un intérêt croissant dans de nombreux domaines scientifiques. Son développement nécessite la mise au point d’une technologie de mélangeurs en configuration multi-pixels.

Parmi tous les mélangeurs existants, le mélangeur à Bolomètre à Electrons Chauds (HEB) à supraconducteur a obtenu les meilleures performances pour des fréquences bien au-delà du THz avec des températures de bruit proches de la limite quantique. Il devient le candidat incontournable pour les projets d’observations appliquant la technologie hétérodyne et nécessitant des hautes sensibilités dans le domaine THz. Plusieurs projets spatiaux en cours de préparation emploient les mélangeurs HEB. Ainsi le LERMA est partenaire des projets Millimetron (satellite Russe) et OST (proposition NASA).

Notre laboratoire possède une très bonne expérience des mélangeurs HEB fonctionnant dans le domaine THz. Des sensibilités hétérodynes à l’état de l’art ont été obtenues à 1,3 et 2,5 THz sur les mélangeurs mono-pixel réalisés durant les actions R&T CNES. Dans la perspective de réaliser des mélangeurs multi-pixels à partir des HEB développés au laboratoire, nous envisageons d’étudier une nouvelle configuration du mélangeur afin de permettre son intégration dans une structure multi-pixels.

Cette étude s’inscrit dans la continuité de nos développements actuels sur les systèmes de détection THz compacts et ultra-sensibles et nous aidera à mieux répondre aux besoins de futurs observatoires spatiaux.

Projet :

Actuellement, plusieurs modules distincts sont nécessaires à l’intérieur du cryostat pour effectuer des mesures avec le mélangeur HEB. Outre le bloc mélangeur, le montage contient un amplificateur cryogénique à bas bruit, souvent suivi d’un isolateur, pour amplifier et acheminer le signal de fréquence intermédiaire vers l’extérieur du cryostat. Les circuits de polarisation du HEB et de filtrage présentent aussi un volume important. Ces modules ont des dimensions comparables à celles du bloc mélangeur HEB et les liaisons assurées par des câbles et connecteurs coaxiaux rendent l’intégration difficile voire impossible pour une configuration multi-pixels lorsque le nombre de pixels augmente fortement. Notre étude vise à trouver une solution, au travers d’études théoriques et expérimentales, permettant d’intégrer tous les modules distincts à l’intérieur d’un seul bloc mélangeur compact et encastrable afin de pouvoir construire une caméra hétérodyne dans le domaine THz sans restriction sur le nombre ou l’agencement des pixels.

En partant du bloc mélangeur actuellement développé au laboratoire utilisant la configuration antenne / lentille intégrée, le travail consiste à mener dans un premier temps une étude expérimentale et théorique des caractéristiques en fréquence intermédiaire (FI) du HEB. Cette étape est cruciale car si aujourd’hui le modèle de « Hot spot » permet de prédire le comportement en courant-tension du HEB en fonction de l’absorption de la puissance de l’OL, il n’existe pas encore de modèle satisfaisant décrivant les caractéristiques en fréquence intermédiaire du HEB.  Actuellement nous sommes contraints d’insérer un isolateur entre le mélangeur et l’amplificateur, ce qui encombre considérablement le système et limite la bande passante en FI à une octave. Cette étude est indispensable non seulement pour réaliser un bloc mélangeur HEB intégré mais aussi pour élargir l’application du mélangeur HEB dans le domaine THz en augmentant sa bande passante en FI.

La deuxième partie de la thèse sera consacrée à l’étude des amplificateurs cryogéniques à bas bruit et en configuration MMIC en effectuant une expertise des derniers développements déjà réalisés par différents laboratoires et fonderies puis en concevant un circuit d’interface adapté permettant d’intégrer l’amplificateur au HEB. Suite à cette étude, le bloc mélangeur avec l’amplificateur intégré sera réalisé et caractérisé. Les résultats des mesures seront analysés et comparés avec l’étude théorique afin d’optimiser les performances du mélangeur. Les travaux sur la miniaturisation et l’intégration des circuits de polarisation et de filtrage seront entrepris simultanément.

En parallèle, une revue générale du bloc mélangeur actuel sera effectuée dans le but de proposer une structure permettant une intégration en 2D d’un grand nombre de mélangeurs mono-pixel. La réalisation d’un prototype est envisagée. Cette étape de travail sera réalisée de concert avec les projets de recherche en cours au laboratoire dont l’objectif est d’étudier la distribution et le couplage des signaux RF à l’entrée du mélangeur multi-pixel.

Profil

Titulaire d’un Master ou d’un diplôme d’ingénieur en électronique ou physique, le candidat doit avoir une bonne formation en physique du solide (en supraconducteur et en semi-conducteur) et en électronique hyperfréquence. Il devra être motivé, autonome, et avoir l’envie d'aborder et de développer de multiples compétences. Une bonne maîtrise en Anglais est indispensable.

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : LERMA-Observatoire de Paris
Directeur(rice) de thèse/recherche : Delorme Yan
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : yan.delorme@obspm.fr
Responsable Cnes de l'offre : GOLDSTEIN Christophe

Pour postuler à cette offre, nous vous invitons à vous rapprocher du directeur/rice de thèse et compléter avec son aide la partie cofinancement  du formulaire en ligne (Répondre à l’offre)  pour le 1er avril 2019

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