Topic description
Contexte scientifique et enjeux:
L'imagerie spectroscopique à haute résolution dans le domaine térahertz (THz) représente un défi majeur pour les futures observations astronomiques spatiales. Le développement de récepteurs hétérodynes multi-pixels est essentiel pour exploiter le potentiel scientifique des télescopes infrarouge lointain de nouvelle génération.
L'Observatoire de Paris, via le laboratoire LIRA, participe à la préparation de LETO (Line Emission Terahertz Observatory), un concept de mission spatiale infrarouge lointain. LETO vise à effectuer des observations spectroscopiques de raies clés dans le domaine THz, notamment la raie [CI] à 1,9 THz, cruciale pour comprendre le milieu interstellaire et la formation stellaire. Ces missions nécessiteront des matrices hétérodynes multi-pixels pour atteindre une efficacité d'observation suffisante, représentant un bond technologique majeur par rapport aux récepteurs mono-pixel d'Herschel/HIFI.
Les bolomètres supraconducteurs à électrons chauds (HEB) démontrent les meilleures performances au-delà de 1 THz, avec des températures de bruit approchant la limite quantique. Ils ont prouvé leur fiabilité dans les missions spatiales (Herschel) et aéroportées (SOFIA). Le LIRA possède une grande expérience avec ces technologies, atteignant des sensibilités à l'état de l'art à 1,3 et 2,5 THz. Nous visons maintenant à développer les premières architectures multi-pixels adaptées aux missions spatiales.
Programme de travail:
La réalisation de caméras hétérodynes est complexe, nécessitant un couplage efficace du signal RF et de l'oscillateur local (OL), ainsi qu'une extraction optimale de la fréquence intermédiaire (FI). Les mélangeurs HEB fonctionnant à 4 K sont sensibles aux fluctuations de polarisation et à l'instabilité de l'OL, nécessitant une conception système soigneuse.
Cette thèse étudiera des solutions innovantes pour intégrer les mélangeurs HEB dans une architecture compacte multi-pixels, explorant plusieurs approches technologiques selon les priorités scientifiques et contraintes de mission.
Un défi clé est la distribution de l'OL pour délivrer une puissance stable et uniforme à plusieurs éléments mélangeurs. Différentes solutions seront étudiées : systèmes quasi-optiques à diviseurs de faisceaux permettant des arrangements flexibles, ou réseaux en guide d'ondes permettant une intégration compacte. Chaque approche présente des avantages spécifiques concernant efficacité, uniformité, complexité et qualification spatiale. Des études de compromis combinant simulations électromagnétiques et validations expérimentales guideront la sélection.
La transmission du signal FI vers les amplificateurs cryogéniques faible bruit constitue un autre aspect critique. Le routage du signal, l'adaptation d'impédance et l'intégration compacte doivent être optimisés pour préserver la sensibilité tout en minimisant masse et volume. Des stratégies d'intégration pour l'amplification FI et le multiplexage seront étudiées.
Le travail comprendra conception et simulation. Un prototype sera fabriqué. Des tests cryogéniques à 4 K caractériseront les paramètres clés : température de bruit, bandes passantes RF et FI, puissance OL requise et stabilité système.
Résultats attendus:
Cette thèse fournira une étude complète des architectures de récepteurs HEB multi-pixels optimisées pour 1,9 THz, des solutions technologiques pour la distribution de l'OL et la gestion du signal FI, ainsi qu'un prototype démontrant des performances adaptées aux futures missions spatiales THz. Les résultats contribueront à l'instrumentation pour missions comme LETO et établiront les fondations pour les futurs récepteurs THz multi-pixels spatiaux.
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Scientific context and challenges:
High-resolution spectroscopic imaging in the terahertz (THz) domain represents a major challenge for future space-based astronomical observations. The development of multi-pixel heterodyne receiver technology is essential to unlock the full scientific potential of next-generation far-infrared telescopes.
Observatoire de Paris, through LIRA laboratory, is involved in the preparation of LETO (Line Emission Terahertz Observatory), a far-infrared space mission concept. LETO aims to perform spectroscopic observations of key lines in the THz range, particularly the [CI] line at 1.9 THz, crucial for understanding the interstellar medium and star formation. These missions will require multi-pixel heterodyne arrays to achieve sufficient observing efficiency, representing a major technological leap from the single-pixel receivers flown on Herschel/HIFI.
Superconducting Hot Electron Bolometer (HEB) mixers demonstrate the best performance beyond 1 THz, with noise temperatures approaching the quantum limit. They have proven reliable in space missions (Herschel) and airborne missions (SOFIA). LIRA has extensive experience with these technologies, achieving state-of-the-art sensitivities at 1.3 and 2.5 THz. We now aim to develop the first multi-pixel architectures suitable for space missions.
Work program:
Heterodyne camera realization is complex, requiring efficient coupling of RF signal and local oscillator (LO), plus optimal intermediate frequency (IF) extraction. HEB mixers operating at 4 K are sensitive to bias fluctuations and LO instability, requiring careful system design.
This thesis will investigate innovative solutions for integrating HEB mixers into a compact multi-pixel architecture, exploring several technological approaches depending on scientific priorities and mission constraints.
A key challenge is LO distribution for delivering stable, uniform power to multiple mixer elements. Different solutions will be studied: quasi-optical beam-divider systems allowing flexible arrangements, or waveguide-based distribution networks enabling compact integration. Each approach presents specific advantages regarding efficiency, uniformity, complexity, and space qualification. Trade-off studies combining electromagnetic simulations and experimental validations will guide the selection.
IF signal transmission to cryogenic low-noise amplifiers constitutes another critical aspect. Signal routing, impedance matching, and compact integration must be optimized to preserve sensitivity while minimizing mass and volume. Integration strategies for IF amplification and multiplexing will be investigated.
The work will include design and simulation. A prototype will be manufactured. Cryogenic testing at 4 K will characterize key parameters: noise temperature, RF and IF bandwidths, required LO power, and system stability.
Expected results:
This thesis will deliver a comprehensive study of multi-pixel HEB receiver architectures optimized for 1.9 THz, technological solutions for LO distribution and IF signal management, and a prototype demonstrating performance suitable for future THz space missions. The outcomes will contribute to instrumentation for missions like LETO and establish foundations for future multi-pixel THz receivers for space applications.
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Début de la thèse : 01/10/
Funding category
Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)
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