Thèse Développement de Réseaux de Récepteurs Hétérodynes Heb Multi-Pixels pour l'Astronomie Térahertz H/F - 75

Établissement : Observatoire de Paris
École doctorale : Astronomie et Astrophysique d'Ile de France
Laboratoire de recherche : Laboratoire d'Instrumentation et de Recherche en Astrophysique
Direction de la thèse : Grégory GAY
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-17T23:59:59

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.

Les missions d'astronomie spatiale dans l'infrarouge lointain nécessitent des instruments spectroscopiques capables de cartographier efficacement les raies d'émission térahertz du milieu interstellaire. La raie [CI] à 1,9 THz est particulièrement importante pour tracer la formation stellaire et la composition du milieu interstellaire. Les récepteurs hétérodynes offrent la résolution spectrale nécessaire, mais les missions comme Herschel/HIFI étaient limitées par leurs récepteurs mono-pixel. La prochaine génération de missions (LETO) requiert des matrices multi-pixels pour améliorer drastiquement l'efficacité observationnelle. Les mélangeurs HEB représentent la seule technologie mature offrant des performances proches de la limite quantique au-delà de 1 THz, mais leur intégration en matrice pour des applications spatiales reste un défi technologique majeur non résolu.

Développer une architecture innovante de récepteur hétérodyne multi-pixels basée sur des mélangeurs HEB supraconducteurs, optimisée pour la raie [CI] à 1,9 THz. Concevoir et valider expérimentalement des solutions technologiques pour la distribution de l'oscillateur local et la gestion des signaux de fréquence intermédiaire. Réaliser et caractériser à 4 K un prototype démontrant des performances compatibles avec les exigences des futures missions spatiales comme LETO.

Etude théorique des composants HEB. Conception et simulations électromagnétiques (CST, HFSS) pour optimiser l'architecture de distribution de l'oscillateur local. Conception du prototype et caractérisation en utilisant les méthodes électronique, quasi-optique et cryogénique à 4 K : mesures de température de bruit, bandes passantes RF et FI, stabilité.