Développement de mélangeurs à supraconducteur pour la radioastronomie dans le domaine Terahertz

26/08/2017
Auteurs : Yan Delorme
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2012-1:19599
DOI :

Résumé

Développement de mélangeurs à supraconducteur pour la radioastronomie dans le domaine Terahertz

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	    <date dateType="Updated">Sat 26 Aug 2017</date>
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66 ◗ REE N°1/2012 les radiotélescopes du futur Yan Delorme LERMA, Observatoire de Paris, UPMC, CNRS, ParisFrance Introduction Dans le spectre électromagnétique, le domaine THz se trouve à la frontière de l’électronique hyper- fréquence et de l’optique infrarouge et concerne la gamme de fréquences comprise approximativement entre 300 GHz et 30 THz. Cette région intéresse particulièrement la radioastronomie car elle contient d’importantes informations sur le fond cosmique, la formation des étoiles et des galaxies. Les mélangeurs HEB (Hot Electron Bolometers ou bolomètres à électrons chauds) sont pressentis pour jouer un rôle clé dans de futurs projets nécessitant des récepteurs ultra-sensibles dans le domaine THz [1]. Un bolomètre à électrons chauds se compose essentiellement d’un micro-pont à supraconducteur d’une épaisseur de l’ordre de quelques nanomètres et d’une longueur de quelques centaines de nanomè- tres. La détection se fait à travers la modification de la résistance du film due à l’échauffement des élec- trons dans le film. Il existe deux types de HEB qui se distinguent par leur mécanisme de refroidissement des électrons, l’un par phonons, dans lequel les élec- trons chauds évacuent l’énergie vers le substrat via les interactions électrons/phonons, l’autre par diffusion, dans lequel l’énergie est principalement évacuée par la diffusion vers les plots de contact. Par rapport aux mélangeurs employant la technologie Schottky ou SIS (Supraconducteur – Isolant – Supraconducteur), le mélangeur HEB présente de nombreux avantages grâce à son principe de fonctionnement. En particu- lier, la montée en fréquence n’est pas limitée et le couplage avec l’antenne est simplifié. Nous développons, dans le cadre des projets du CNES et de l’Union européenne, un mélangeur à bo- lomètre à électrons chauds à supraconducteur dans la gamme de fréquences au-delà du THz. Les études entreprises concernent les HEB à nitrure de niobium et à refroidissement par phonons sur un substrat épais ou en membrane [2] dans une configuration quasi-optique. Une filière française a été développée pour la réalisation du composant HEB. Des simula- tions intensives du HEB et de ses circuits RF ont été effectuées en utilisant différents types de logiciels électromagnétiques et optiques. D’excellentes perfor- mances ont été obtenues sur un mélangeur quasi-op- tique à 2,5 THz. Nous décrivons dans les paragraphes qui suivent les différentes étapes du développement. Conception quasi-optique du mélangeur Il existe deux méthodes pour coupler le signal à détecter et celui de l’oscillateur local au mélangeur : la méthode guide d’onde et la méthode quasi-optique ; cette dernière est souvent employée pour la gamme de fréquences au-dessus du THz. Un concept quasi- optique largement utilisé dans le développement des récepteurs hétérodynes est la structure lentille/an- tenne intégrée. Il s’agit de réaliser une lentille à partir du substrat sur lequel sera déposée l’antenne planaire afin de fournir un couplage efficace des signaux RF. Ces dernières années, nos efforts se sont concentrés Développement de mélangeurs à supraconducteur pour la radioastro- nomie dans le domaine Terahertz We have developed heterodyne receivers for frequencies above 2 THz with low critical temperature superconducting Hot Electron Bolometers (HEB). The receivers use quasi-optical configuration to couple THz radiation to the phonon-cooled HEB devices based on niobium nitride (NbN). The measured receiver noise temperature including all the optical losses reaches as low as 800 K at 2,5 THz which is among the best results ever published. abstract REE N°1/2012 ◗ 67 Développement de mélangeurs à supraconducteur pour la radioastronomie dans le domaine Terahertz principalement sur cette structure. La lentille utilisée est de type hyper-hémisphérique et a été conçue en silicium de haute résistivité avec une constante diélectrique de 11,7. L’an- tenne est de type log-spirale permettant une très large bande passante. La simulation et l’optimisation ont été effectuées à l’aide des logiciels électromagnétiques 3D ANSYS - HFSS et Micro- wave Studio - CST. Dans la gamme de fréquence entre 1,5 et 3,5 THz, l’impédance d’entrée simulée de l’antenne log-spi- rale est presque constante avec une partie réelle proche de 75 Ω et une partie imaginaire inférieure à 10 Ω. Pour évaluer les effets de la lentille sur le diagramme de rayonnement de cette structure lentille/antenne intégrée, une approche hybride combinant l’optique géométrique à l’intérieur de la lentille et l’optique physique à l’extérieur de la lentille a été adoptée [3]. Ce choix a été fait en raison du rap- port très élevé entre la dimension de la lentille et la longueur d’onde de travail, car des moyens de calcul extrêmement puissants seraient nécessaires pour une approche globale et purement électromagnétique. Le diagramme de rayonne- ment de l’antenne spirale sur une lentille d’un diamètre de 12,7 mm est présenté sur la figure 1. Fabrication du composant L’élément clé d’un mélangeur HEB est le micro-pont en supraconducteur d’une épaisseur de quelques nanomètres. Le film ultra-mince de nitrure de niobium utilisé dans cette étude a été fourni par la société russe Scontel. Il est déposé par pulvérisation magnétron réactive. Cette technique pro- cure au film obtenu une bonne adhésion sur le substrat ainsi qu’une haute densité. La réalisation du composant HEB et de l’antenne intégrée a été effectuée dans la salle blanche du LPN (Laboratoire de Photonique et de Nanostructures). Le procédé comporte plusieurs étapes enchaînant lithographie électronique, dépôt par évaporation, lift-off et gravure. La figure 2 (a) illustre le profil de l’échantillon après les trois niveaux de lithographie électronique et le retrait du NbN non protégé. Le nano-pont en NbN (le HEB) se trouve dans la zone centrale encore couverte par le masque en Ni. Une photo du composant réalisé est montrée sur la figure 2 (b). Le HEB mesure 0,2 µm de largeur, 2 µm de longueur et avec une épaisseur de 3,5 nm. Figure 1 : Diagramme de rayonnement simulé d’une antenne spirale intégrée à une lentille hyper-hémisphérique à 2,5 THz. Figure 2 : (a) Profil de l’échantillon après la définition du HEB ; (b) Photo d’un HEB réalisé avec l’antenne spirale. 68 ◗ REE N°1/2012 les radiotélescopes du futur Réalisation et caractérisation des récepteurs Le composant réalisé est collé sur le centre de la lentille qui sera montée dans un bloc mélangeur en cuivre. Le bloc est fixé sur la platine d’un cryostat à hélium liquide pour la caractérisation. Le principe de mesure hétérodyne est illustré sur la figure 3. Le signal de l’oscillateur local et le signal RF en provenance des charges de différentes températures sont combinés au niveau de la lame séparatrice et ensuite transmis au bloc mélangeur à l’intérieur du cryostat au travers d’une fenêtre en mylar et d’un filtre infrarouge. Le signal FI à la sortie du mélangeur est connecté, à travers un T de polarisation et un isolateur cryogénique, à un amplificateur faible bruit avant d’être traité par la chaîne d’amplification et d’analyse à tem- pérature ambiante. La température de bruit est mesurée avec la méthode du facteur Y qui consiste à placer successivement deux corps noirs de températures différentes devant la lame séparatrice et à calculer le rapport de la puissance FI mesurée correspon- dante. La température de bruit est calculée selon la formule : Trec = où Tch et Tfr sont respectivement la tem- pérature de la charge chaude et froide et Y le rapport de la puissance FI correspondante à la charge chaude et froide. Récepteur à 600 GHz Dans le but de caractériser les mélangeurs afin de valider la conception quasi-optique et le procédé de fabrication avec des sources disponibles actuellement dans le laboratoire, nous avons réalisé un mélangeur dont la fréquence centrale se situe à 600 GHz, en parallèle avec le développement du mélangeur à 2,5 THz. La fréquence centrale du mélangeur est déterminée par la conception de l’antenne spirale. Le HEB réalisé montre un courant critique d’environ 100 µA et une résistance normale autour de 120 Ω. La carac- térisation du mélangeur à 600 GHz a été d’abord effectuée en détection directe avec un spectromètre FTS réalisé par le laboratoire. Une lampe à mercure de large bande est utilisée comme source de radiation. On mesure la réponse du cou- rant DC à une tension de polarisation fixe du mélangeur HEB en fonction du déplacement du miroir mobile de l’interféro- mètre. La réponse spectrale est montrée sur la figure 4. Nous pouvons constater que la bande passante de cette structure est très large et dépasse 500 GHz. La mesure hétérodyne a été réalisée avec l’OL fourni par une chaîne composée d’une diode Gunn suivie des multiplicateurs de fréquences. La fréquence de mesure est fixée à 580 GHz et la bande passante de la chaîne FI est de 1,3 à 1,7 GHz. La puissance FI en présence de la charge à 293 et 77 K ainsi que la température de bruit en fonction de la tension de polarisation sont présentées sur la figure 5. Nous pouvons constater la bonne performance du mélan- geur sur une plage de tension de polarisation relativement large. La température de bruit du récepteur sans aucune cor- rection est de 520 K avec une tension de polarisation de 0,5 mV et un courant de 21 µA. Récepteur à 2,5 THz Dans le cadre d’un projet R&D du CNES et du programme européen Radionet-FP7, nous avons réalisé un mélangeur avec la fréquence centrale à 2,5 THz. Les mesures hété- Figure 3 : Configuration du banc de mesure hétérodyne du récepteur HEB. REE N°1/2012 ◗ 69 Développement de mélangeurs à supraconducteur pour la radioastronomie dans le domaine Terahertz rodynes ont été effectuées à SRON (Netherlands Institute for Space Research) où un banc de laser à gaz permet de fournir un signal à 2,5 THz avec une bonne stabilité et une puissance élevée. Compte tenu de la forte absorption des signaux THz par l’atmosphère, les charges chaude et froide ont été placées à l’intérieur d’un boîtier qui est relié au cryos- tat contenant le récepteur. Les charges sont donc sous le même vide que le récepteur. Pour optimiser la transmission du signal THz, la lentille a été recouverte d’une couche anti- réflexion en parylène, un polymère possédant une bonne transmission dans le domaine du THz. Les caractéristiques courant-tension du HEB non pom- pées et pompées à différentes puissances de sortie du laser FIR sont présentées sur la figure 6 (a). Le courant critique est d’environ 260 µA et la résistance normale autour de 75 Ω. La figure 6 (b) montre la puissance FI en fonction de la tension de polarisation devant la charge chaude (293 K) et la charge froide (77 K) ainsi que la température de bruit déduite du récepteur. La température de bruit a été calculée à partir du facteur Y en utilisant la température effective de la charge chaude et froide qui est respectivement de 297 K et 92 K à 2,5 THz selon la définition de Callen-Walton. La valeur optimale de la puissance de l’OL absorbée par le HEB est estimée à 270 nW par la technique du modèle isotherme [4]. La température de bruit minimale mesurée, et sans aucune correction, se trouve légèrement en-dessous de 800 K. Ce résultat se situe actuellement au meilleur niveau mondial. Conclusion Nous avons présenté le développement des récepteurs hé- térodynes à base de bolomètres à électrons chauds dans le domaine du THz au travers de leur conception, de leur réalisa- tion et de leur caractérisation à 0,6 et 2,5 THz. La température de bruit du récepteur obtenue sans correction est de 520 K à 580 GHz et 800 K à 2,5 THz, actuellement parmi les meilleu- res valeurs publiées. Ces résultats nous confirment que les mélangeurs HEB à supraconducteur sont extrêmement sensi- bles et que leur sensibilité est peu dépendante de la fréquence de travail. Ce type de récepteur est donc très prometteur pour la montée en fréquence dans le domaine du THz. Figure 4 : Réponse FTS du récepteur à 600 GHz. Figure 5 : Caractéristiques du récepteur à 580 GHz - Puissance FI devant la charge chaude/froide et la température de bruit du récepteur en fonction de la tension de polarisation. Figure 6 (a) : Courbes IV non pompées et pompées à différentes puissance d’OL à 2,5 THz. Figure 6 (b) : Puissance FI en présence de la charge chaude/froide et la température de bruit du récepteur en fonction de la tension de polarisation. 70 ◗ REE N°1/2012 les radiotélescopes du futur Remerciements Le travail présenté dans cet article a été réalisé par le Groupe expérimental Micro-onde du LERMA à l’Observatoire de Paris avec les principaux participants : R. Lefèvre, F. Dauplay, A. Fe- ret, T. Vacelet et J.-M. Krieg et avec la collaboration de W. Miao (Purple Mountain Observatory, Chine) et de J. Spatazza (DT-INSU). Les composants HEB ont été réalisés dans la salle blanche du LPN avec l’aide de Y. Jin. La caractérisation hétérodyne de notre récepteur à 2,5 THz a été effectuée à SRON (Groningen, Pays-Bas) grâce à l’aide de W. Zhang, W. Miao, J.-R. Gao et P. Khosropanah. Nous les remercions très sincèrement. Ce travail a été financé par le Centre National d’Etudes Spatiales (CNES), l’Institut National des Sciences de l’Univers (INSU) et la Région Ile-de-France. Références [1] Gerecht E., Musante C.F., Zhuang Y., Yngvesson K.-S., Gol’tsman G.-N., Voronov B.-M., Gershenzon E.-M, “NbN hot electron bolometric mixers-a new technology for low-noise THz receivers” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol.47, pp. 2 519, 1999. [2 W. Miao, Y. Delorme, F. Dauplay, G. Beaudin, S.C. Shi, “Simulation and Scale Model Measurement of a 600 GHz Membrane-Based Twin Slot Antenna”, Microwave and Optical Technology Letters, June, 2009. [3] A.-D. Semenov, H. Richter, B. Gunther, H.-W. Hubers, J. Karamarkovic, “Integrated planar antennas at terahertz waves”, in Proc. of 16th International Symposium on Space Terahertz Technology, Gothenburg, Sweden, pp. 324-328, 2005. [4] H. Ekstrom, B.-S. Karasik, E.-L. Kollberg, K.-S. Yngvesson, “Conversion gain and noise of niobium superconducting hot-electron-mixers”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 43, N°. 4, pp. 938-947, 1995. Yan Delorme est ingénieur de recherche en instrumentation du CNRS au LERMA de l’Observatoire de Paris après avoir obtenu un doctorat en Electronique à l’université Paris Sud. Ses activités de recherche portent sur le développement des dispositifs ultra- sensibles à supraconducteur pour la détection hétérodyne dans le domaine millimétrique et submillimétrique, de la modélisation et la conception à la caractérisation. Depuis une quinzaine d’an- née, Yan Delorme et le groupe d’étude micro-onde expérimental du LERMA s’impliquent activement dans des projets nationaux et internationaux employant les technologies de pointe pour les observations depuis l’espace et le sol. l'auteur