Développement de LEKIDs couplés à des antennes pour la mesure multi-bande de la polarisation du CMB

Antenna-Coupled LEKIDs for Multi-Band CMB Polarization Sensitive Pixel

• Auteur / Autrice : Alessandro Traini
• Direction : Michel Piat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'univers
• Date : Soutenance le 01/10/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AstroParticule et Cosmologie (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Alessandra Tonazzo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Piat, Bruno Maffei, Mario Zannoni, Andrea Catalano, Hervé Geoffray
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Maffei, Mario Zannoni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Supraconductivité

Fond diffus cosmologique

Cosmologie

Supraconductivité

Détecteurs

Mots clés libres

Détecteurs à inductance cinétique

Supraconductivité

Cosmologie

Kinetic inductance detectors

Superconductivity

Cosmology

Résumé

La prochaine génération d’instruments pour l'observation de la polarisation du fond diffus cosmologique est particulièrement exigeante en termes de nombre de détecteurs, de qualité de la mesure et d'efficacité de remplissage du plan focal. De plus, pour détecter les modes-B de polarisation provenant de l’inflation, il faut observer le ciel avec plusieurs bandes de fréquence afin de soustraire les avant-plans. Dans ce contexte, les détecteurs à inductance cinétique (KIDs) représentent une technologie très prometteuse en raison de leur grand facteur de multiplexage et de leur facilité de réalisation, tandis que le couplage avec une antenne peut fournir des solutions multi-bandes et double-polarisation dans un design compacte. Les KIDs à éléments localisés (LEKID) couplé à une antenne développé dans cette thèse sont sensibles à la polarisation avec deux sous-bandes à 140 GHz et 160 GHz chacune avec une bande passante de 10%. L'architecture proposée utilise une antenne à fente excitée par une ligne microruban et deux filtres passe-bande vers deux résonateurs. Ces derniers sont couplés capacitivement avec l'antenne et comprennent une ligne microruban en Aluminium comme absorbeur. Cette architecture est particulièrement simple à fabriquer, sans via et ne nécessite que de deux niveaux de métallisation. La transition ne nécessite aucun dépôt de diélectrique au-dessus du résonateur, évitant ainsi les limitations de toute source de bruit due au substrat non-monocristallin (TLS). En outre, la même technique de couplage peut être appliquée à de nombreux types d'antennes excitées par une ligne microruban, ce qui permet de s'adapter aux filtres passe-bande.

Next generation telescopes for observing the Cosmic Microwave Background are demanding in terms of number of detectors and focal plane area filling efficiency. Moreover, foreground reduction in B-Mode polarimetry requires sky observation with multiple frequency bands. In this context KIDs are promising technology because of their large multiplexing rate, while antenna coupling can provide multi-band and dual-polarization solutions in compact design. The proposed polarization sensitive antenna-coupled LEKID is operating at 140 GHz and 160 GHz with a bandwidth of almost 10% for each sub-band. The design involves a microstrip excited slot antenna and two open-stub band-pass filters to direct the signal toward two resonators. These are lumped elements capacitively coupled to the antenna and include an Aluminium strip as absorber. The architecture proposed is particularly simple to fabricate, via-less and only involves two metallization levels. The transition doesn't require any dielectric deposition above the resonator, thus preventing limitations from any source of noise due to non-monocrystalline substrate (TLS). Furthermore, the same coupling technique can be applied to many types of microstrip excited antennas, which allow to accommodate band-pass filters.