Le projet CIDRE
CIDRE :
Campagne d'
Identification
du
Deutérium par
Récepteur h
Etérodyne.
Le projet est de construire un récepteur astronomique à haute
fréquence (radio) et d'effectuer des vols en ballon pour faire des
observations du milieu interstellaire. Nous envisageons un télescope
consistant en un miroir primaire de 0.83m et qui permettrait de faire
des observations jour et nuit. Le récepteur sera un récepteur
hétérodyne probablement de 4 pixels couvrant une bande de fréquences
large autour de 2.6 THz (avec une résolution inférieure au MégaHertz).
Les plus grands défis technologiques seront le mélangeur et
l'oscillateur local (OL), qui requerront de nouvelles technologies
aussi bien que de la recherche & développement. L'optique sera
elle
aussi un challenge, mais utilisera principalement des procédés déjà
bien connus (bien qu'à des longueurs d'onde plus petites, la précision
en fabrication et alignement devient alors plus élevée). L'optique
contiendra aussi quelques concepts sophistiqués pour assurer un bon
couplage du signal et de l'OL dont la puissance est relativement
faible. Voici donc l'exposé de l'optique et du récepteur.
Optique
Pour collecter le signal astronomique CIDRE aura un miroir de
0.83
m fixé à une gondole suspendue à un ballon stratosphérique fourni par la division ballon du CNES. Le télescope
atteindra
une résolution ∼30” dans le ciel,
ce qui est comparable à la résolution des télescopes courants au sol à
des fréquences plus basses (comme le 30m de l'IRAM ou le JCMT de 15m).
Cela nous permettra de comparer directement des observations
à de plus basses fréquences radio avec les observations CIDRE.
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Chemin optique pour le projet
CIDRE |
Chemin Optique
La lumière du ciel (qui vient de la gauche dans le graphique ci-dessus)
est focalisée par le miroir primaire, M1. Ensuite le miroir M2 refocalise et redirige le faisceau puis la lumière passe par
le miroir K,
qui peut tourner l'image pour compenser la rotation du ciel. Les
miroirs M3 et M4 redirigent la lumière sur le banc optique, dont la
figure à droite est une vue de dessus. Sur le banc optique, il y a l'OL
qui est dans ce cas dans le cryostat en bas. Pour superposer
efficacement le signal du ciel avec celui de l'OL on peut utiliser un
interféromètre Martin-Puplett. A l'entrée de l'interféromètre
Martin-Puplett (MP) le signal du ciel et de l'OL ont des polarisations
perpendiculaires. Le MP superpose les deux signaux en tournant les
polarisations (Pour une explication plus détaillée, suivez
ce lien). Les deux
signaux avec une polarisation identique sont ensuite dirigés vers le
mélangeur, qui se trouve dans le cryostat en haut à gauche.
Mélangeur - Bolomètre à Electrons Chaud (HEB)
Dans le domaine de la détection hétérodyne sub-millimétrique (300 GHz
– 3 THz), les récepteurs à supraconducteurs restent aujourd’hui
les plus performants car ils permettent de combiner une très haute
résolution spectrale avec des températures de bruit de réception
approchant la limite de bruit quantique. Deux types de détecteurs
sont utilisés : jonction à effet tunnel (SIS – Supraconducteur
Isolant Supraconducteur) et bolomètre à électrons chauds (HEB -
Hot Electron Bolometer). Les récepteurs SIS montrent des
caractéristiques très performantes jusqu'à environ 1 THz et les
récepteurs à HEB sont très prometteurs pour des fréquences au
delà du THz.
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
nanomètres. L’échauffement des électrons dû à l'absorption
d'une onde incidente provoque la transition d'état
supraconducteur - état normal à la température critique Tc. La détection
se fait à travers la modification, à la fréquence du battement
entre le signal RF et le signal OL, de la résistance du film due à
l’échauffement des électrons dans le film.
Le
mélangeur HEB présente de nombreux avantages pour la détection
submillimétrique. En particulier, l’impédance d’un HEB est
purement résistive permettant un couplage simplifié avec l’antenne.
D’autre part, la montée en fréquence n’est plus limitée comme
dans le cas des SIS par l'apparition d'un court-circuit capacitif. Les mélangeurs HEB sont pressentis pour jouer un
rôle clé dans de futurs projets nécessitant des récepteurs
ultra-sensibles dans le domaine THz.
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Photo d’un HEB
réalisé avec l’antenne spirale. |
Nous développons dans
le cadre des projets du CNES et de la Communauté Européenne le
mélangeur HEB dans la gamme de fréquences au delà du THz. Les
composants HEB sont en Nitrure de Niobium et de type à
refroidissement par phonons. Le mélangeur est en configuration
quasi-optique. Une photo d’un composant réalisé est montrée sur
la figure ci-dessus. Le HEB mesure 0.2 µm de longueur, 2 µm de
largeur, avec une épaisseur de 3.5 nm. Les récepteurs développés
ont montré très récemment d’excellents résultats. La
température de bruit obtenue sur un récepteur à 2.5 THz et sans
aucune correction atteint 800K qui se situe actuellement au meilleur
niveau mondial.
Oscillateur Local (OL)
Le principe du récepteur hétérodyne impose l'utilisation d'un oscillateur
local qui
doit être très stable en fréquence et en puissance. Sa fréquence doit
être connue précisément et réglable facilement couvrant la même
gamme de fréquences que les
raies qui seront observées (donc 2.5-2.7 THz) et
sa puissance doit dépasser quelques µW. Actuellement le
projet
CIDRE retient deux options pour son oscillateur local:
- Une chaîne de multiplicateurs de fréquence
- Le Laser à Cascade Quantique (ou QCL pour Quantum
Cascade
Laser)
La chaîne de multiplicateurs:
Pour obtenir une fréquence de sortie de 2.7 THz on peut utiliser une
chaîne de multiplicateurs qui multiplie la fréquence du
signal initial. La multiplication a des pertes qui sont
partiellement compensées par un amplificateur dans les premiers étages pour nous permettre de
donner assez de puissance en sortie de l'OL.
Les multiplicateurs
sont développés au LERMA par
Alain
Maestrini
et son équipe.
Le Laser à Cascade Quantique:
Les QCL sont des lasers semi-conducteurs qui émettent de l'infrarouge
moyen à l'infrarouge lointain. Ils
consistent en couches fines de
semi-conducteurs formant ainsi un super-réseau. Ce
super-réseau a
un champ électrique variable qui donne lieu à plusieurs niveaux
permis pour les électrons. Dans un QCL, quand un électron a effectué
une transition entre deux
sous-bandes et émis un photon sur une période du super-réseau, il peut
passer à la prochaine période du super-réseau par effet tunnel. Cela
permet de créer plusieurs photons avec un seul électron, donnant ainsi
le nom de "cascade" au dispositif.
Pour CIDRE le LERMA est en collaboration avec des experts des QCLs.
Comparaison
Performances |
Multiplier Chain |
Quantum Cascade Laser |
Puissance |
˜ 10μW |
˜ 1mW |
Stabilité en puissance |
Bonne |
Moyenne |
Bande de fréquence |
10% |
20 x 0.1% |
Précision en fréquence |
Bonne |
Moyenne
(Bonne avec Phase Lock Loop) |
Température d'opération |
300K (ou moins) |
40K |
Monochromatique |
Oui |
Possible |
Pour conclure sur l'OL, un oscillateur local de type chaîne de
multiplicateurs est un OL utilisé avec succès dans des récepteurs
astronomiques existants, mais il manque encore un peu de puissance pour
l'utiliser dans le domaine THz. Les QCLs donnent assez de puissance,
mais il faut les refroidir et faire des développements R&D avant
qu'ils puissent être utilisés dans des récepteurs (question de gamme de
fréquences émises, couplage, phase lock loop,...). Les QCL sont des OL
très prometteurs pour les hautes fréquences dans l'avenir.
Chaîne FI et FFTS
La chaîne FI amplifie le signal sortant du
mélangeur HEB et
l'adapte
pour le FFTS (Fast Fourier Transform Spectrometer). En sortant du
mélangeur HEB, le signal FI est très faible (vers -80 dBm). Le premier
amplificateur est le plus critique car sa température de bruit
doit
être suffisamment faible pour être négligeable devant le signal qui est
à environ 1000K en sortant du HEB. Pour diminuer la température du
bruit du premier amplificateur il faut le refroidir, normalement
entre 4 et 20K. Comme
l'amplificateur donne un gain, le signal est plus
puissant en sortant du premier amplificateur et le reste de la
chaîne peut donc être utilisée à température ambiante (˜ 300K) car son
bruit est alors négligeable comparé au signal.
Un modèle de chaîne FI pour CIDRE:
Le FFTS est un analyseur de spectre dont sera équipé CIDRE. Les FFTS à
présent peuvent analyser autour de 2GHz de bande passante avec une résolution inférieure
à 1MHz. Le signal
FI sortant du mélangeur sera de l'ordre de quelques GigaHertz (env. 4
GHz). Si on veut regarder un signal astronomique plus large,
et
si le HEB a une FI plus élevée, on peut diviser le signal FI en deux et
l'analyser en utilisant deux canaux du FTS (comme montré sur le schéma ci-dessus).