Modules pour réseaux de récepteurs hétérodynes THz

Modules for THz heterodyne array receivers

• Auteur / Autrice : Huy Duy Do
• Direction : Yan Delorme
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 29/09/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres en cotutelle avec Centre national d'études spatiales (France)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d’étude du rayonnement et de la matière en astrophysique et atmosphères (Paris ; 2002-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Dominique Bockelée-Morvan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yan Delorme, François Pajot, Christine Letrou, Patrick Mounaix
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : François Pajot, Christine Letrou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interférométrie

Spectroscopie terahertz

Mots clés libres

THz

Mélanger HEB

Réseaux de récepteurs hétérodynes

Réseau de phase

L'impédance FI

THz

HEB mixer

Heterodyne array receivers

Phase grating

IF impedance

Résumé

Les fréquences THz contiennent beaucoup d'informations utiles pour révéler la formation de la galaxie et l'évolution des étoiles. Pour détecter le spectre avec une sensibilité élevée et une très haute résolution, nous devons utiliser un récepteur hétérodyne. Pour les fréquences supérieures à 1 THz, le mélangeur à bolomètre à électrons chauds (HEB) est le meilleur candidat car il a la sensibilité la plus élevée parmi d’autres types de mélangeurs et théoriquement aucune limite de fréquence supérieure. L’une des demandes urgentes pour les futurs télescopes nécessitant des mélangeurs HEB est la construction de réseaux de récepteurs dans le but d’améliorer la cohérence des données acquises et d’augmenter la vitesse de cartographie. Il n’y a actuellement que quelques réseaux de récepteurs avec un petit nombre de pixels fonctionnant au-dessus de 1 THz. Ainsi, cela nécessite encore beaucoup d’investigation.Cette thèse se concentre sur deux aspects principaux. Le premier consiste à étudier l’élément de distribution de l’oscillateur local (OL) pour le réseau de mélangeurs en utilisant un réseau de phase global. Le deuxième est de caractériser l’impédance en fréquence intermédiaire (FI) du mélangeur HEB dans ses conditions de travail.Le premier aspect vise à trouver un moyen efficace de diviser un faisceau OL à quatre faisceaux secondaires pour alimenter une matrice de mélangeur à 1,3 THz. J’ai d’abord simulé et mesuré un diviseur à quatre faisceaux, puis analysé ces données et conclu les travaux de conception. La simulation et la mesure montrent un bon accord.Le deuxième aspect vise à mieux comprendre le mécanisme physique du HEB afin de préparer l’intégration du circuit FI pour la construction du réseau de mélangeurs. Ce travail est réalisé par la combinaison de mesure et de simulation électromagnétique tridimensionnelle du bloc HEB. J’ai extrait l’impédance FI du mélangeur HEB à différents points de polarisation et différents niveaux de pompage OL à température cryogénique.

THz frequencies contain a lot of helpful information to reveal the formation of the galaxy and the evolution of the stars. To detect the spectral with high sensitivity and very high resolution, we need to use a heterodyne receiver. For the frequencies above 1 THz, the hot electron bolometer (HEB) mixer is the best candidate since it has the highest sensitivity among other kinds of mixers and theoretically no upper-frequency limit. One of the urgent demands for future telescopes requiring HEB mixers is building array receivers with the aim of improving the consistency of acquired data and increasing the mapping speed. There are currently only a few receiver arrays with a small number of pixels working above 1 THz. Thus, it still requires a lot of investigation.This thesis focuses on two main aspects. The first is to investigate the local oscillator (LO) distribution element for the receiver array using the global phase grating. The second is to study the intermediate frequency (IF) impedance of the HEB mixer under its working conditions.The first aspect aims to find an efficient way to divide the one single beam of the LO source to four sub-beams to feed a mixer array at 1.3 THz. I first simulated and measured a four beam phase grating, then analyzed these data and concluded the design work. The simulation and measurement show a good agreement.The second aspect aims to better understand the physical mechanism of the HEB and to prepare the integration of the IF circuit for the miniaturization of the current receiver. This work is done by the combination between measurements and three-dimensional electromagnetic simulation of the HEB block. I extracted the IF impedance of the HEB mixer at different bias points and local oscillator pumping levels at cryogenic temperature.