Mélangeurs à bolomètres à électrons chauds sur membranes fonctionnant au-delà du térahertz pour l’instrument post-herschel

Mixers hot electron bolometers membrane operating beyond the terahertz device for post-Herschel

• Auteur / Autrice : Grégory Gay
• Direction : Laurent Pagani, Yan Delorme
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Méthodes instrumentales en astrophysique et leurs applications spatiales
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mélangeurs hyperfréquences

Ondes décimillimétriques

Supraconducteurs

Résumé

Nous avons développé un concept original de mélangeur à bolomètre supraconducteur en structure quasi-optique destiné à la détection hétérodyne dans le domaine térahertz. Le détecteur est un bolomètre à électron chaud (HEB) en nitrure de niobium (NbN) sur une membrane diélectrique de Si3N4/SiO2 de 1,4 µm d'épaisseur. La membrane est obtenue par une gravure du substrat de silicium. Un miroir focalise le signal THz et une antenne planaire assure le couplage du rayonnement au HEB. Deux blocs mélangeurs ont été développés pendant cette thèse, l'un en configuration axiale et l'autre avec un miroir hors axe. Des antennes planaires de type spirales et double fente ont été conçues pour fonctionner sur la membrane de Si3N4 à des fréquences de 0,6 et 1,4 THz. Une caractérisation FTS réalisée avec une antenne double fente à 0,6 THz a démontré un très bon accord entre la fréquence de résonance mesurée et celle simulée. Une bande passante RF de 40% de la fréquence centrale a été mesurée. Les premières mesures de sensibilité du bloc mélangeur hors axe ont donné des résultats encourageants avec une température de bruit de récepteur de 1300 K à 0,6 THz. La bande passante absolue de la fréquence intermédiaire a été mesurée à 750 MHz. Les travaux à venir sont la montée en fréquence bien au-delà du THz, l'amélioration de la sensibilité du récepteur et le développement de matrice de HEB. Le concept de mélangeur HEB sur membrane pourrait être une solution intéressante pour l'imagerie THz.

We have developed an original concept of a quasi-optical mixer based on a superconducting bolometer for heterodyne detection in the terahertz domain. The detector is a membrane based hot electron bolometer (HEB) and the superconducting material is niobium nitride (NbN) on a dielectric membrane of Si3N4/SiO2, 1. 4 microns thick. The membrane is obtained by etching of the silicon substrate. A mirror is used to focus the THz signal and a planar antenna couples the radiation to the HEB. Two mixers blocks have been developed during this thesis : one in the on-axis configuration and another one with an off-axis mirror. Planar antennas spiral and double slot were designed to run on the silicon nitride membrane at frequencies of 0. 6 and 1. 4 THz. A FTS characterization performed with a double slot antenna at 0. 6 THz showed a very good match between the resonance frequency measured and the simulated one. A RF bandwidth of 40% of the center frequency was measured. The first measures of sensitivity with the off-axis mixer block yielded encouraging results with a receiver noise temperature of 1300 K at 0. 6 THz. The intermediate frequency bandwidth was measured at 750 MHz. Future works are the increase of the RF frequency beyond the THz, improving the receiver sensitivity and the development of a matrix of HEB. The concept of membrane based HEB could be an interesting solution for THz imaging.