Spectrometers based on Kinetic Inductance Detectors - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Spectrometers based on Kinetic Inductance Detectors

Spectromètres basés sur des détecteurs à inductance cinétique

Usasi Chowdhury
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1367898
  • IdRef : 276596048

Résumé

In millimeter continuum astronomy, a large number of unidentified sources in the mm wavelength are being detected by the large field-of-view continuum instruments (e.g. NIKA2 in IRAM) operating on large telescopes. Most of these sources are high-redshift counterparts to local galaxies or vigorously dusty star-forming galaxies (DSFGs). High spectral and angular resolution interferometers (e.g. ALMA in Chile and NOEMA in France) are used to confirm the photometric redshift of the detected source via detecting multiple molecular and/or atomic emission lines. The process is demanding and time-consuming. Therefore, there is a need for innovative focal plane arrays that can bridge the gap in between to conduct observations with low to medium spectral resolution, allowing astronomers to identify a smaller subset of potentially interesting sources, such as high-redshift galaxies, for further in-depth study. These spectrally-resolving instruments can also support the Line Intensity Mapping (LIM) technique, which helps researchers disentangle the emission lines as a function of redshift.To achieve such intermediate spectral resolution (i.e. R= λ/Δλ=100-1000) while preserving the high sensitivity, there are recent developments in designing multiple on-chip spectrometers based on kinetic inductance detectors (KIDs) like DESHIMA, SuperSpec, μ-Spec, etc. which are mainly limited by the finite number of available readout electronics channels and show relatively low overall quantum efficiency. Fourier transform spectrometers (e.g. CONCERTO) are also designed to have such spectral resolutions, over large FoV but the drawback is represented by the complicated optical design and higher optical background per pixel, translating into lower per-pixel sensitivity.In this thesis, we present the simulation, design, fabrication, and optical characterization of focal-plane on-chip spectrometers, OMKID, and HYPKID based on Lumped Element Kinetic Inductance Detectors (LEKID) sensitive in the 75-110 GHz range. These are prototype designs where the detection of the incoming signal follows specific filtration and each filter is capacitively coupled to a lumped-element kinetic inductance detector (LEKID). For OMKID, a conical horn antenna coupled to a slot in the ground plane collects the radiation and guides it to a millimeter (mm)-wave microstrip transmission line placed on the other side of the mono-crystalline substrate. The mm-wave line is coupled to the filters or superconducting c-shaped resonators. For HYPKID, the incoming signal is directly absorbed by filters. Both devices are designed based on microstrip configuration which provides the benefit of low loss, due to the mono-crystalline substrate. The direction of the signal through the mm-wave line in OMKID design protects the LEKIDs from illumination by stray unfiltered light. Whereas, the direct absorption allows a gain in the overall quantum efficiency for HYPKID.The planar superconducting filters made of 20 nm thin aluminum, collect the radiation below the superconducting gap frequency (~110 GHz). The LEKIDs are fabricated using a 35 nm thick titanium-aluminium bilayer which dissipates the radiation for frequencies higher than its spectroscopic gap (~70 GHz) and generates quasiparticles. Our devices are characterized by a straightforward design and fabrication process, readily compatible with large field-of-view, i.e. thousands of beams (pixels), and arrays.The prototype spectrometers exhibit spectral resolution R ≈ 200 - 1000. The noise is of the order of 2 Hz/√("Hz" ). The optical noise equivalent power is in the range of 〖10〗^(-16) W/√Hz for an incoming power of pW per channel, confirming the gain in quantum efficiency as predicted by the electromagnetic simulations.In summary, our work affirms the reliability of both on-chip spectrometers, while keeping an open possibility of significant improvement of the overall efficiency in the future iterations of these devices.
En astronomie millimétrique, un grand nombre de sources non identifiées sont détectées par les instruments large bande à grand champ de vision (par exemple NIKA2 dans l'IRAM) fonctionnant sur de grands télescopes. La plupart de ces sources sont des homologues à redshift élevé des galaxies locales ou des galaxies à forte formation d'étoiles (DSFG). Des interféromètres à haute résolution spectrale et angulaire (par exemple ALMA au Chili et NOEMA en France) sont utilisés pour confirmer le redshift via la détection de plusieurs raies d'émission moléculaires et/ou atomiques.Pour obtenir une telle résolution spectrale intermédiaire ($R$ = $lambda/Delta lambda$ = 100-1000) tout en préservant la haute sensibilité, typique des détecteurs directs, des développements récents ont été réalisés dans la conception de plusieurs spectromètres intègres basés sur les détecteurs à inductance cinétique (KID) comme DESHIMA, SuperSpec, mu-Spec, etc., qui sont principalement limités par le nombre fini de canaux électroniques de lecture disponibles et par une efficacité quantique globale relativement faible. Les spectromètres à transformée de Fourier (par exemple CONCERTO) sont également conçus pour avoir de telles résolutions spectrales, sur un grand FoV, mais l'inconvénient est représenté par la conception optique compliquée et un fond optique plus élevé par pixel, se traduisant par une sensibilité par pixel plus faible.Dans cette thèse, nous présentons la simulation, la conception, la fabrication et la caractérisation optique de spectromètres intègres multipixel, OMKID et HYPKID basés sur des détecteurs d'inductance cinétique (LEKID) sensibles dans la Plage 75 -110 GHz. Il s'agit de prototypes dans lesquels la détection du signal entrant suit une filtration spécifique et chaque filtre est couplé de manière capacitive à un détecteur à un LEKID. Pour OMKID, une antenne cornet conique couplée à une fente dans le plan de masse collecte le rayonnement et le guide vers une ligne de transmission microruban millimétrique placée de l'autre côté du substrat monocristallin. La ligne de transmission millimétrique est couplée aux filtres ou aux résonateurs supraconducteurs en forme de « C ». Pour HYPKID, le signal entrant est directement absorbé par les filtres. Les deux dispositifs sont conçus sur la base d'une configuration microruban qui offre l'avantage désirables pertes, grâce au substrat monocristallin. La direction du signal à travers la ligne d'onde millimétrique dans la conception OMKID protège les LEKID de l'éclairage direct par la lumière non filtrée. De plus, l'absorption directe dans le HYPKID, permet un gain d'efficacité quantique globale pour HYPKID.Les filtres supraconducteurs planaires fabriqués en aluminium d'une épaisseur de 20 nm collectent le rayonnement en dessous de la fréquence du gap supraconducteur (110 GHz). Les LEKID sont fabriqués à l'aide d'une bicouche supraconductrice en titane-aluminium de 35 nm d'épaisseur qui dissipe le rayonnement pour des fréquences supérieures à son gap (70 GHz) et génère des quasiparticules. Nos appareils se caractérisent par un processus de conception et de fabrication simple, facilement compatible avec un grand champ de vision, c'est-à-dire des milliers de faisceaux (pixels) et donc des grandes matrices.Les prototypes de spectromètres réalisés présentent une résolution spectrale R ≈ 200 - 1000. Le bruit est de l'ordre de 2 Hz/√("Hz" ). La puissance optique équivalente au bruit est de l'ordre de 〖10〗^(-16) W/√Hz pour une puissance entrante de l'ordre de $pW$ par canal, confirmant le gain d'efficacité quantique comme prédit par les simulations électromagnétiques.En résumé, nos travaux confirment la fiabilité des deux spectromètres intègres, tout en gardant une possibilité d'amélioration significative de l'efficacité globale dans les futures itérations de ces dispositifs.
Fichier principal
Vignette du fichier
Chowdhury_2023_archivage.pdf (12.44 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04521360 , version 1 (26-03-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04521360 , version 1

Citer

Usasi Chowdhury. Spectrometers based on Kinetic Inductance Detectors. Physics [physics]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2023. English. ⟨NNT : 2023GRALY071⟩. ⟨tel-04521360⟩

Collections

UGA CNRS NEEL STAR
4 Consultations
5 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More