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Blanc - SIMI 3 - Matériels et logiciels pour les systèmes et les communications (Blanc SIMI 3)
Edition 2011


MASTHER


Récepteur terahertz hétérodyne tout état solide miniaturisé pour applications en sécurité

MASTHER
Récepteur terahertz tout état-solide miniaturisé pour applications en sécurité

Objectifs
L’objectif global de MASTHER est de montrer qu’il est possible de proposer un système complet, compact et de coût modéré de détection THz d’objets à distance, dans un contexte de sécurité, par exemple. Afin d’y aboutir, des objectifs partiels, présentant des verrous, concernent chacun des éléments constitutifs du système MASTHER.
Dans l’objectif de disposer de sources THz à état solide, le verrou est de réaliser une puce délivrant une puissance suffisante pour la fonction oscillateur local à laquelle elle est destinée, tout en limitant sa dissipation thermique en vue de son insertion dans un cryostat miniaturisé (température 60 K environ).
Dans l’objectif de disposer de mélangeurs THz (bolomètre à électrons chauds, HEB), on peut identifier quatre verrous : i) compréhension améliorée de la physique des films minces supraconducteurs à haute température critique, nano-structurés pour exploiter l’effet HEB, i.e. le mélange de fréquences THz avec de faibles pertes et un faible bruit pour réaliser un récepteur cohérent sensible ; ii) réalisation de films ultraminces et de nano-constrictions avec un matériau supraconducteur à haute Tc (YBaCuO) particulièrement sensible aux diverses étapes technologiques ; iii) test en mélange des fréquences THz, avec des mesures délicates des bruits d’origine électrique, thermique et photonique introduits par les divers éléments du récepteur ; iv) miniaturisation de la chaîne d’amplification à la fréquence intermédiaire issue du mélangeur HEB.
Dans l’objectif de disposer de cryogénérateurs miniaturisés, le verrou est d’intégrer des éléments optiques qui viennent introduire des contraintes supplémentaires en termes de pertes thermiques supplémentaires, de conception des fenêtres d’accès et de l’optique associée (lentilles de focalisation).
L’objectif de démonstration du récepteur cohérent complet miniaturisé est lié au verrou de l’intégration finale, qui sera une « première » dans le domaine des détecteurs THz à vocation industrielle.

Méthodes et approches
Dans le contexte d'applicabilité de systèmes de détection cohérente très compacts dans le marché potentiellement riche du THz, MASTHER vise à mettre en œuvre un récepteur hétérodyne construit à partir d'une puce mélangeuse sensible de type bolomètre à électrons chauds (HEB) dans un cryo-réfrigérateur léger (80 K) combiné à une source à état solide de type laser à cascade quantique (QCL) THz fonctionnant à 60 K comme oscillateur local, le mélangeur HEB et la source QCL étant chacun dans un cryo-réfrigérateur miniaturisé. MASTHER sera donc un système de détection THz portable offrant une bonne sensibilité à coût réduit.
Les partenaires du consortium sont: LGEP (SUPELEC-CNRS-Univ. UPMC Paris 6 et Paris Sud 11), coordonnateur, avec le CEA-INAC (sous-traitant); UMPhy (Thales-CNRS); MPQ (Univ. Paris Diderot-CNRS) et Thales Research & Technology.
Le projet MASTHER comporte 5 tâches : 1) coordination (LGEP) ; 2) croissance du matériau supraconducteur à haute température critique (YBaCuO) et physique du HEB (LGEP / CEA et UMPhy) ; 3) réalisation de mélangeurs HEB YBaCuO et tests en laboratoire (LGEP) ; 4) Conception, réalisation et tests de sources THz QCL (MPQ) ; 5) intégration et démonstration d'un prototype (TRT). En pratique, MASTHER combine les compétences des quatre partenaires, qui travailleront en étroite collaboration les uns avec les autres pendant la durée de ce projet industriel.

Résultats

Non applicable

Perspectives

Tâche 1 : coordination assurée par le LGEP.
Tâche 2 : optimisation de la croissance de films YBaCuO et compréhension détaillée des mécanismes physiques des HEB (coordination : LGEP). Cette tâche vise à la production de films ultraminces (10 à 40 nm) de haute qualité pour réaliser des HEB. Deux voies seront explorées : i) le dépôt par pulvérisation cathodique au CEA-INAC à Grenoble (sous-traitant du LGEP) ; ii) le dépôt par ablation laser à l’UMPhy. La physique des HEB sera aussi considérée afin d’optimiser la géométrie du dispositif.
Tâche 3 : réalisation de mélangeurs de fréquences THz HEB et tests fonctionnels (coordination : LGEP). Cette tâche vise à fournir une puce HEB pour le démonstrateur final MASTHER de récepteur THz miniaturisé. Toutes les conceptions afférentes au mélangeur (front end optique THz, structure de la puce HEB, back end microonde pour le signal à la fréquence intermédiaire) seront effectuées au LGEP en liaison avec les autres partenaires. Les tests préliminaires seront effectués au LGEP, ainsi que les tests en mélange THz dans un cryostat ad hoc du LGEP.
Tâche 4 : réalisation et test des sources THz QCL (coordination : MPQ). Cette tâche vise à fournir deux types de sources. Une source multimode conventionnelle pour les tests en mélange THz au LGEP (tâche 3) et une source monomode spécialement dédiée au démonstrateur miniaturisé dans un micro-refroidisseur TRT (tâche 5).
Tâche 5 : intégration du prototype MASTHER et démonstration en détection THz (coordination : TRT). Cette tâche vise à intégrer d’une part le mélangeur HEB dans son propre cryostat miniaturisé (80 K) et d’autre part la source THz QCL dans un autre cryostat de même type (60 K). Il s’agira de concevoir l’ensemble du système, de concevoir le bloc mélangeur et la cryoélectronique microondes associée, de développer les deux modules refroidisseurs miniaturisés, d’intégrer le système MASTHER et de le tester pour la détection thermique d’un objet situé à quelques mètres.

Productions scientifiques et brevets

Non applicable

Partenaires

CNRS - MPQ UNIVERSITE DE PARIS 7

CNRS - UMPhy CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR SUD

SUPELEC - LGEP ECOLE SUPERIEURE D'ELECTRICITE (SUPELEC)

TRT THALES RESEARCH & TECHNOLOGY

Aide de l'ANR 702 842 euros
Début et durée du projet scientifique décembre 2011 - 42 mois

Résumé de soumission

Depuis la démonstration en 2002-2003, d’un laser à cascade quantique (QCL) émettant aux fréquences terahertz (THz, typiquement 500 GHz à 5000 GHz), on a noté un fort regain d'intérêt pour cette région spectrale, avec des applications en sécurité, contrôle non destructif, environnement, pharmaceutique et domaine médical. Ainsi, pour la sécurité, des projets ambitieux ont vu le jour, qui ont conduit à d'excellents résultats scientifiques et techniques. Cependant, ceux-ci ont été acquis avec une applicabilité limitée: bien que des systèmes complets aient montré les potentialités uniques du domaine, ils sont restés complexes, encombrants et surtout peu aptes à fonctionner en temps réel, pour la détection à distance en particulier. Il est en outre permis de croire que l'absence de systèmes véritablement opérationnels résulte principalement d'efforts insuffisants pour réaliser des chaînes de détection THz compactes et à hautes performances.
En parallèle, des détecteurs / mélangeurs THz hétérodynes à bolomètres à électrons chauds (HEB) supraconducteurs ont été optimisés pour la radioastronomie, atteignant des sensibilités ultimes de quelques photons THz par seconde, mais avec l'inconvénient d’une cryogénie à 4 K.
A 300 K, les diodes Schottky sont l’alternative en mélange hétérodyne haute sensibilité. La limitation provient alors de la puissance élevée requise pour l’oscillateur local (OL), laquelle augmente avec la fréquence (quelques mW à 2 THz, contre quelques dizaines de nW avec un HEB). Il devient alors difficile de satisfaire tout le domaine d'intérêt pour les applications en sécurité.
Entre 4 K et 300 K, les matériaux supraconducteurs à haute température critique (SHT) exploitables vers 77 K, ont atteint un niveau de maturité élevé qui permet de réaliser des dispositifs micro-ondes à hautes performances. En outre, ces dispositifs peuvent être mis en œuvre dans des refroidisseurs en circuit fermé très compacts (400 cm3 environ).
Nous pensons ainsi : 1) qu’un bloc détecteur THz très sensible, compact et facile d’emploi est l’élément manquant qui pourrait justifier l'avènement de systèmes THz réellement applicatifs; 2) qu’un tel détecteur THz cohérent pourrait résulter de la combinaison des connaissances présentes sur le concept HEB, avec la haute qualité des matériaux SHT actuels ; 3) que la compacité et facilité d'utilisation du détecteur THz final bénéficieront de la compacité des systèmes de refroidissement en circuit fermé autour de 70 K, dans lesquels on pourra intégrer un mélangeur HTS HEB, ainsi qu’un QCL comme OL THz.
Dans ce contexte d'applicabilité de systèmes de détection cohérente très compacts dans le marché potentiellement riche du THz, MASTHER vise à mettre en œuvre un récepteur hétérodyne construit à partir d'une puce mélangeuse sensible HEB dans un refroidisseur léger (80 K) avec sa source QCL THz à état solide (60 K) comme OL, dans des cryo-réfrigérateurs miniaturisés. MASTHER sera donc un système de détection THz portable offrant une bonne sensibilité à coût réduit.
Les partenaires du consortium proposé sont: LGEP (SUPELEC-CNRS-Univ. UPMC Paris 6 et Paris Sud 11), coordonnateur, avec le CEA-INAC (sous-traitant); UMPhy (Thales-CNRS); MPQ (Univ. Paris Diderot-CNRS) et Thales Research & Technology. Le projet MASTHER comporte 5 tâches : 1) coordination (LGEP), 2) croissance du matériau HTS (YBaCuO) et physique du HEB (LGEP / CEA et UMPhy), 3) réalisation de mélangeurs HEB YBaCuO et tests en laboratoire (LGEP), 4) Réalisation de sources THz QCL et tests (MPQ), 5) intégration et démonstration d'un prototype (TRT). En pratique, il combinera les compétences des 4 partenaires, qui travailleront en étroite collaboration les uns avec les autres pendant toute la durée de ce projet industriel.
En fin de projet, un récepteur à 2,5 THz tout état solide miniaturisé doit être intégré. Il devra montrer sa capacité à détecter un objet présentant 10 à 20 degrés de température différentielle à une distance de quelques mètres.

 

Programme ANR : Blanc - SIMI 3 - Matériels et logiciels pour les systèmes et les communications (Blanc SIMI 3) 2011

Référence projet : ANR-11-BS03-0008

Coordinateur du projet :
Madame Annick DÉGARDIN (ECOLE SUPERIEURE D'ELECTRICITE (SUPELEC))
Annick.Degardin@nullsupelec.fr

Site internet du projet : http://masther.lgep.supelec.fr

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.