(THz) (Gérard Beaudin) - Réseau Optique et Photonique

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
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Plan focal de Planck :
les cornets de LFI (Low Frequency Instrument) sont placés autour de ceux de HFI (High Frequency Instrument).
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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
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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)
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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
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supra
Métal
Te
Tc
Tréseau
• Avantages
– Pas de limite de
fréquence
– Impédance purement
réelle
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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
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Filtre RF
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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
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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
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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)
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=> THz Quantum cascade Laser
(QCL)
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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.
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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
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Radioastronomy
The resolution gain could be accomplished :
with the mission MILLIMETRON,
and with FIRI.
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Planetary remote sensing
Atmosphere and surface
-
Spectroscopy of the atmosphere with medium and high
resolution and sensitivity ;
- continuum surface detection (seas, lands, …).
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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
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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
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