Technologies des ondes THz et applications en astrophysique, aéronomie, planétologie, sécurité-défense, médical, télécom. , industrie… Gérard BEAUDIN, LERMA - GEMO Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 1 Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 2 Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 3 Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 4 Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 5 Plan focal de Planck : les cornets de LFI (Low Frequency Instrument) sont placés autour de ceux de HFI (High Frequency Instrument). Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 6 Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 7 Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 8 Principe de la détection hétérodyne Conversion fFI fImage fOL fsignal f Diplexeur Oscillateur local f OL Spectromètre Amplificateur faible bruit fsignal Récepteur hétérodyne f=mfOL-nfsignal 9 9 Déplacement du contenu spectral vers les basses fréquences Grande résolution spectrale : ∆f/f < 10-8 Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 9 Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 10 Hétérodyne millimétrique , submm et THz pour des applications en astrophysique, aéronomie, planétologie Technologies des mélangeurs – diode Schottky (As Ga) – jonction à supraconducteur : SIS (Nb, NbN, NbTiN) – bolomètre à électrons chauds à supraconducteur (HEB en YbaCuO, Nb, NbN) SubMM Receivers : state of art 2004 ( summary ) T receivers DSB (K) • 10000 1000 Schottky SIS HEB 100 10 0 1000 2000 3000 frequency (GHz) Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 11 Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 12 Hétérodyne millimétrique , submm et THz pour des applications en astrophysique, aéronomie, planétologie Mélangeurs à supraconducteur Jonction SIS HEB micro-pont à supraconducteur I 0.1µm - µm φ = φ2 - φ1 V Supra1 (Nb, NbN,NbTiN) – – V = V2 - V1 Métal Supra2 Barrière (AlOx, MgO,SiO2 ~10 A) Avantage • bruit ~ bruit quantique (hν/κ) • puissance OL nécessaire : faible • possibilité : oscillateur intégré Limitation • fréquence de gap • effet capacitif Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 supra Métal Te Tc Tréseau • Avantages – Pas de limite de fréquence – Impédance purement réelle 13 Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 14 Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 15 Mélangeur Canal 1de l’instrument hétérodyne (HIFI) de l’ Observatoire spatial submillimétrique « Herschel » • • • Bande de fréquence couverte instantanée : 480 – 640 GHz : raies de H2O (16, 17, 18,..) Bruit du canal (données/SRON) : 30 à 40 K Dimensions : cube de 3cm ; poids 65g • Conception novatrice du LERMA avec support (BE) de la DT INSU • Technologie microélectronique à supra conducteur (Nb) : jonctions de 1 micron (réalisation LERMA-IRAM) • Qualification spatiale : première mondiale! • • Performances ultimes jamais atteintes (au niveau international) alliant bande passante et performances de bruit (2 à 3 photons)! a) Circuit d ’adaptation Filtre RF b) Jonctions (5x1 µm²) SiO Jonction SIS de 1µm² Antenne Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 Filtre RF 16 Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 17 Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 18 Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 19 Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 20 Sub-mm heterodyne receivers for Astronomy and planetary remote sensing R & D (CNES) SIS integrated front-ends Quasioptics LO chain Mixer in cryostat • 450 GHz prototype of planar antennas array integrated with SIS mixers and superconducting local oscillators (FFO) Filtre passe bas Double-dipole antenna Mélangeur : Antenne double dipôle double jonction Transformateur d ’impédance Tchebytechev Source OL : Jonction longue (FFO) Ligne de polarisation FFO IF low-pass filter Mixer : twin junction 2X2µm² Tow-step hybrid coupler 4 mm Impedance transformer Flux Flow Oscillator Magnetic field control line Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 21 Sub-mm heterodyne receivers for Astronomy and planetary remote sensing Circuit vu à travers la membrane (1.4µm) Photo MEB d’un HEB réalisé Résistance du film NbN en fonction de la température avant et après le process Réseau de 4 antennes et HEBs Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 22 Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 23 Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 24 Sub-mm heterodyne receivers for Astronomy and planetary remote sensing R & D HEB camera at 2.5 THz – new quasi-optical LERMA concept – 4 to 16 pixels – LERMA, LAAS, Chalmers – (Univ. Moscow) Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 25 Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 26 Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 27 Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 28 Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 29 Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 30 => THz Quantum cascade Laser (QCL) Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 31 Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 32 Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 33 Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 34 Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 35 THz for Astronomy : Space borne observatories PLANCK Artistic view Planck est formé de deux instruments contenant 9 bandes spectrales : LFI (30, 44 et 70 GHz) HFI (100, 143, 217, 353, 545 et 857 GHz) Les instruments de mesure de HFI sont refroidis à 0,1 K (0 K = -273 °C). Les deux instruments sont placés dans le plan focal d’un télescope hors-axe en configuration Grégorienne. Le rayonnement fossile collecté par les deux miroirs est couplé optiquement aux détecteurs par l’intermédiaire de cornets corrugués (striés). Le diamètre projeté du miroir primaire est de 1.5m, donnant une résolution spatiale comprise entre 30 et 5 arc-minutes en fonction de la fréquence. Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 36 Astronomy HERSCHEL Space Observatory 3.5m telescope ( launch May 14th 2009) – Observation : 85 - 600 µm • PACS: Photodetector Array Camera & Spectrometer • SPIRE: Spectral and Photometric Imaging Receiver • HIFI: Heterodyne Instrument for the Far-Infrared 480-1250 GHz & 1410-1910 GHz – 1st satellite with heterodyne / submm / superconductor Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 37 Radioastronomy The resolution gain could be accomplished : with the mission MILLIMETRON, and with FIRI. Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 38 Planetary remote sensing Atmosphere and surface - Spectroscopy of the atmosphere with medium and high resolution and sensitivity ; - continuum surface detection (seas, lands, …). Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 39 Sub-mm heterodyne receivers for planetary remote sensing ROSETTA : ESA planetary Mission rendez-vous with the Comet Churyumov- Gerasimenko after a 10 year’s travel; launched March 2nd, 2004 Observing water, methanol,carbon monoxyde, ammonia lines (CO, CH3OH, NH3) of the medium + surface of core Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 40 Hétérodyne millimétrique , submm et THz pour des applications en aéronomie, planétologie SAPHIR configuration Control data On-board Calibration Target Electronic Unit Data Handling 1 I.F. Processor Scanning Mechanism 183 GHz Front-end t Horn e ar g dT Col Sky 6 e her osp m t A Spacecraft Interface House Keeping data Status Power Supplies MEGHA-TROPIQUES / SAPHIR Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 41 Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 42 Journées de l'Optique 3-5 juin 2009 43