Radiomètre à haute sensibilité pour le sondage atmosphérique aux longueurs d’onde submillimétriques

26/08/2017
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2012-1:19598
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Résumé

Radiomètre à haute sensibilité pour le sondage atmosphérique aux longueurs d’onde submillimétriques

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62 ◗ REE N°1/2012 les radiotélescopes du futur Jeanne Treuttel, Alain Maestrini Observatoire de Paris, LERMA Cet article a été écrit avec la collaboration de H. Wang1 , Y. Jin2 , C. Jung3 , P. Maagt4 , C. Goldstein5 1 Rutherford Appleton Laboratory, Chilton, Didcot, UK, 2,3 Laboratoire de photonique et de nanostructures, Marcoussis, France, 4 European Space Agency, The Netherlands, 5 Centre national d’études spatiales, Toulouse Introduction Le sondage atmosphérique aux longueurs d’onde submillimétriques permet d’obtenir une haute ré- solution spatiale et spectrale pour la caractérisation des composés chimiques de l’atmosphère. Des étu- des démontrent que la radiométrie submillimétrique passive, couplée aux observations visibles et infrarou- ges, ouvre de nouveaux axes de recherches pour la compréhension du système radiatif terre/atmosphère (encadré en fin d’article). De plus, l’utilisation de son- des submillimétriques passives à multicanaux offre un compromis entre sensibilité, couverture spatiale et vitesse d’acquisition. La mise en orbite de tels réseaux de récepteurs implique la résolution de probléma- tiques liées à l’intégration des sous-systèmes et de leurs performances. Nous présentons la démarche suivie pour la réso- lution de certaines de ces problématiques, ce qui se traduit de manière concrète par le développement d’un radiomètre hétérodyne intégré à diode Schottky non refroidi pour la détection de signatures atmos- phériques entre 300 et 360 GHz. Ce radiomètre né- cessite une source constituée d’un oscillateur local à 60 GHz à 100 mW, couvrant le plan focal selon deux dimensions, échantillonnées à moins de 20 longueurs d’onde de la fréquence de détection. Problématiques technologiques L’intégration d’un réseau de récepteurs hété- rodynes compact pour des mesures aéroportées nécessite une analyse de tous les étages, de la sé- paration des antennes dans le plan focal, l’intégration d’amplificateur(s) à faible bruit ou de puissance, aux interfaces des sous-systèmes entre eux. Cette analyse implique une connaissance des contraintes tant au ni- veau composant qu’au niveau système, et ce sur une échelle allant du micronique au centimétrique. Ces contraintes sont tout d’abord centrées sur l’élément de détection qui caractérise la sensibilité du Radiomètre à haute sensibilité pour le sondage atmosphérique aux longueurs d’onde submillimétriques We present a very compact front–end radiometer at 300-360 GHz, which requires a local oscillator power at 60 GHz. A single receiver element is developed to fit n x m element 2D focal plane array, where n and m > 2. This element array is packaged in a block with a cuboid outline. The attractiveness of this configuration is that the input/output of the receiver are contained within the footprint of the antenna, therefore a full two-dimensional array is possible. abstract La Diode Schottky est réalisée à partir d’une jonction métal-semi-conducteur. Elle doit sa popu- larité à son faible seuil de tension directe et à sa rapidité de commutation. Ces particularités la destinent en particulier à la détection de signaux radiofréquence. La réalisation de diode Schottky aux fréquences térahertz nécessite de développer et de maitriser des procédés de fabrication submicroniques qui restent à l’heure actuelle du domaine des laboratoires de développement technologique pour la recherche. Figure 1 : Diode Schottky fabriqué au LPN REE N°1/2012 ◗ 63 Radiomètre à haute sensibilité pour le sondage atmosphérique aux longueurs d’onde submillimétriques récepteur. On s’intéresse alors au choix des technologies de détection et à leur implication sur les autres parties du systè- me, ainsi qu’aux interfaces des composants et aux différentes méthodes de transmission du signal. Un nombre important de télescopes au sol est à l’heure actuelle équipé de réseaux de récepteurs hétérodynes à base de détecteurs SIS haute sensibilité, refroidis à 4 K nécessitant une puissance d’oscilla- teur local de l’ordre du µW/élément. Le développement de réseaux de récepteurs hétérodynes embarqués présente des contraintes supplémentaires de poids et d’encombrement. La technologie à diodes Schottky (Figure 1) offre la possibilité de déployer des réseaux de récepteurs non refroidis avec des sensibilités système adaptées au sondage des atmos- phères (∆TSys  # quelques K) exploitable jusqu’au térahertz. Ces détecteurs nécessitent une puissance d’oscillateur local de quelques mW/élément. Un programme de développe- ment d’une technologie de diode Schottky intégrée (MMIC) par lithographie e-beam est en cours au LPN [1]. Celui-ci per- met de réaliser des systèmes hétérodynes avec des jonctions submicroniques. Les problématiques d’intégration du détecteur au niveau système concernent la distribution de l’oscillateur local (OL) [2], le système quasi-optique et la répartition des éléments dans le plan focal [3], la calibration du réseau de manière générale et plus particulièrement inter éléments, la chaine de processeur en fréquence intermédiaire (FI) et les interfaces entre les différents sous-systèmes. Les solutions d’intégration de sources et de détecteurs à base de diode Schottky sont développées jusqu’aux fréquences térahertz et utilisent des technologies hybrides [4], avec parfois une intégration de la source et du détecteur sur un même substrat [5] ou dans un même bloc [6]. Le radiomètre à 330 GHz proposé est composé d’un tripleur de fréquence en mode varistor, couplé à un mélangeur subharmonique, tous deux non polarisés. Ce système présente plusieurs avantages, dont le principal est l’utilisation d’une source d’oscillateur local à 60 GHz, cor- respondant à des puissances disponibles allant jusqu’à quel- ques watts, ainsi que la possibilité d’utiliser des connecteurs coaxiaux dont l’encombrement est moindre que les connec- teurs guides d’onde standard. L’usinage de la structure (ou bloc) en deux parties contraint le choix de la configuration du circuit de par le nombre de connecteurs en face arrière, et ce afin d’atteindre une bonne couverture du plan focal correspondant aux besoins actuels [3]. Conception du circuit combiné tripleur/ mélangeur subharmonique Deux configurations sont possibles pour l’intégration des fonctions de mélange et de génération d’harmoniques dans des circuits intégrés aux longueurs d’ondes millimétriques (S-MMIC) à diode Schottky. La première consiste à intégrer dans un même bloc deux circuits sur deux substrats différents et à les connecter grâce à des transitions guide d’onde [6]. Cette solution est optimale concernant les performances des sous fonctions de mélange et de génération d’harmoniques, puisqu’il est possible d’avoir différents dopages des couches épitaxiées. La seconde solution consiste à combiner les deux éléments sur un même substrat, ce qui offre l’avantage d’une compacité propice à la réalisation de réseaux ultra compacts. Il est proposé des circuits avec des cellules planaires repor- tées (flip-chip) ou combinant technologie MMIC et flip-chip (cet article). Dans notre cas, le circuit combine les fonctions de génération d’harmonique et de mélange. Le tripleur est in- tégré au substrat dont le dopage est optimisé pour la généra- tion de l’harmonique trois et la cellule de mélangeur planaire également optimisée est reportée en flip-chip. La conception de ce type de circuit composé de six éléments non linéaires nécessite le développement d’une méthodologie dédiée afin d’optimiser quatre réseaux d’adaptation répartis sur de mêmes lignes de transmission illustrées sur la figure 2. Figure 2 : Schéma simplifié des différents étages du circuit combiné mélangeur/tripleur de fréquence. 64 ◗ REE N°1/2012 les radiotélescopes du futur Les puissances doivent être distribuées entre les ports selon différents schémas pour chaque bande de fréquence, elles-mêmes subdivisées en quatre bandes sur une plage couvrant 9 à 400 GHz et des puissances allant de 10 μW à 100 mW. Les différents réseaux d’adaptation sont : le signal d’oscillateur local (LO à 50-60 GHz, ~ 100 mW) aux diodes du tripleur, le signal d’harmonique trois généré par les diodes du tripler (LO H3 à 150-180 GHz, ~ 10 mW) aux diodes du mélangeur, le signal à détecter (RF à 300-360 GHz, ~ 10 μW) aux diodes du mélangeur, et enfin, le signal de fré- quence intermédiaire (IF à 9-21 GHz, ~ 100 μW) à la chaîne basse fréquence. La méthodologie de conception proposée consiste en plusieurs étapes d’optimisation utilisant des routi- nes de simulation de l’environnement électromagnétique 3D couplées à des méthodes d’adaptation linéaire et non linéaire (balance harmonique). La figure 3 montre l’aspect géométri- que de ces différentes parties, à différentes échelles. Conclusion Cette étude résout quelques-unes des principales pro- blématiques pour la mise en place de réseaux de récep- teurs compacts et performants visant l’intégration sur une plate-forme aéroportée destinée à l’étude des atmosphères de planètes. Nous démontrons la possibilité d’obtenir avec les technologies actuelles des réseaux de récepteurs hété- rodynes Schottky aux longueurs d’onde submillimétriques, et ce, avec une couverture des antennes du plan focal en deux dimensions séparées par une distance de 20 mm, soit 20 λ à 330 GHz en espace libre (Figure 2). Plusieurs sources commerciales possèdent des puissances allant jusqu’à 5 W à 60 GHz. Cela correspond pour le radiomètre présenté à la mise en réseau de 30 canaux de récepteurs (5 x 6) couvrant un plan focal de 100 x 120 mm2 . Ce travail est soutenu par le programme ESA - GSTP “Micro- Machined Receiver” (RFQ/3-12346/08/NL/ST) et le Rutherford Appleton Laboratory. Références [1] C. Jung, H. Wang, A. Maestrini, Y. Jin. “Fabrication of GaAs Schottky Nano-diodes with T-Anodes for Sub-millimeter Wave Mixers”. International Symposium on Space Terahertz Technology, vol. Groningen, April 2008. [2] A. Maestrini, B. Thomas, H. Wang, C. Jung, J. Treuttel, Y. Jin, G. Chattopadhyay, I. Mehdi, G. Beaudin. “Schottky diode based terahertz frequency multipliers and mixers”. Comptes-rendus de l’Académie des sciences, Physique, Vol. 11 (no . 7-8), August-October 2010. [3] T. Luthi, D. Rabanus, U. Graf, C. Granet, A. Murk. “Expan- dable fully reflective focal-plane optics for millimeter and submillimeter-wave arry receivers”. Review of Scientific Instrument”, Vol. 77, 2006. [4] M. C. Wanke, E. W. Young, C. D. Nordquist, M. J. Cich, A. D. Grine, C. T. Fuller, J. L. Reno, M. Lee. “Monolithi- cally integrated solid-state terahertz transceivers”. Nature Photonics, Vol. 4, pp. 565-569, June 2010. [5] B. Thomas. “600 GHz silicon-based integrated receiver using GaAs MMIC membrane planar Schottky diodes”. ISSTT Proceedings, March 2010. Figure 3 : De gauche à droite, les différents éléments composant le radiomètre, de l’échelle centimétrique à l’échelle micronique - réseau de récepteur à 330 GHz, circuit combiné tripleur/mélangeur intégré dans son bloc et diodes Schottky intégrées en configuration antiparallèle (LPN). REE N°1/2012 ◗ 65 Radiomètre à haute sensibilité pour le sondage atmosphérique aux longueurs d’onde submillimétriques [6] H. Wang, A. Maestrini, B. Thomas, B. Alderman, G. Beaudin. “Development of a two-pixel integrated heterodyne Schottky diode receiver at 183 GHz”. 19th International Symposium on Space Terahertz Technology, April 2008. [7] “Development and implementation of airborne millime- tric/sub-millimetric radiometers for cloud ice and rain characterization”, Expression of Interest in EUFAR Joint Research Activities, February 2011, LERMA/Observatoire de Paris, LPN/CNRS, CAB-Inta, Chalmers university, Lulea Technical University, RPG GmbH, EADS-Astrium, UK Mettofice, Rutherford Appleton Laboratory, lead by LERMA, Observatoire de Paris. Jeanne Treuttel reçoit en 2005 un diplôme d’ingénieur de l’école Polytech’ Paris (UPMC), puis un master en Instrumentation pour les Sciences astrophysiques (Observatoire de Paris) en 2006. Elle devient durant l’année 2006-2007 « scientist engineer » au Ruther- ford Appleton Laboratory (Angleterre) dans le groupe MMT avec lequel elle collabore ensuite activement pendant trois ans durant sa thèse de doctorat de l’Observatoire de Paris (CNES-CNRS) sur le thème des réseaux de détecteurs hétérodyne à diode Schottky aux longueurs d’ondes submillimétrique (soutenue en 2011). Elle est actuellement ingénieur de recherche à l’Observatoire de Paris, LERMA, groupe GEMO. Alain Maestrini reçoit en 1993 un diplôme d’ingénieur de l’école ENST de Bretagne. De 1993 à 1995 il travaille comme ingénieur à l’IRAM au télescope de 30 m, Espagne. Il soutient ensuite en 1999 une thèse de l’université de Bretagne occidentale et de l’Observa- toire de Paris. Il rejoint la même année le groupe de technologie submillimétrique au Jet Propulsion Laboratory, pour le développe- ment d’oscillateur local THz dédié au télescope spatial Herschel. Puis il rejoint en 2003 le Laboratoire des Instruments et systè- mes d’Ile de France (LISIF), comme maître de conférence tout en restant en collaboration étroite avec l’équipe du JPL. En 2008, il rejoint le LERMA et passe son HDR en 2010. les auteurs De l’intérêt des longueurs d’onde submillimétriques pour l’observation de la Terre L’observation spatiale offre la possibilité de caractériser les propriétés de l’atmosphère terrestre à l‘échelle du globe. Ainsi différentes techni- ques, passives ou actives, opérant dans le spectre visible, infrarouge ou micro-onde depuis des satellites en orbite basse ou en orbite géostation- naire, sont utilisées pour détecter et quantifier les différents composants majeurs et mineurs de l’atmosphère, et pour caractériser les propriétés de la microphysique nuageuse (cristaux de glace, gouttes d’eau) et des aérosols. Ces différentes techniques sont sensibles aux propriétés d’absorption, d’émission et de diffusion des différents constituants de l’atmosphère, propriétés plus ou moins dominantes selon la longueur d’onde utilisée et le constituant considéré. Ainsi, comme le montre l’illustration, contrairement à l’imagerie visible/infrarouge qui ne renseigne que sur la partie haute du nuage, les instruments passifs micro-ondes permettent de sonder davantage, voire traverser les nuages épais. Des radars opérant à 94 GHz et les lidars sont sensibles à la phase glacée des nuages tandis que des radars à 14 GHz permettent de caractériser les précipitations. De récentes étu- des réalisées à partir de simulations de transfert radiatif ont démontré l’intérêt du domaine spectral submillimétrique pour caractériser les nuages de glace en termes de contenu intégré, de taille moyenne des cristaux de glace et d’altitude moyenne. D’autres études ont permis de vérifier la per- tinence de la radiométrie submillimétrique pour détecter et quantifier les précipitations depuis une orbite géostationnaire. Une autre application de la radiométrie submillimétrique démontrée ces dernières années par la mission duale d’astronomie et d’aérologie Odin, est la restitution de profils de composants mineurs de l’atmos- phère terrestre, comme l’ozone (O3 ) par exemple, par sondage au limbe. De fait les développements technolo- giques de composants «multi-pixels» actuellement en cours offrent de nouvelles perspectives d’observations des nuages en termes de précision de mesure, et de nouvelles stratégies d’échantillonnage, mesures nécessai- res pour compléter les observations spatiales actuelles, et pour lever les incertitudes sur la représentation des nuages de glace dans les modèles cli- matiques. [7]. Figure 4 : Illustration générique présentant les différents domaines spectraux d’observation des nuages de pluie et de glace et leur degré de pénétration verticale associés (Courtesy E. Defer).