Développement de détecteurs MKIDs (Microwave Kinetic Inductance Detectors) fonctionnant dans l'infrarouge proche et le visible pour l'astronomie.

par Samir Beldi

Thèse de doctorat en Astronomie et Astrophysique

Sous la direction de Piercarlo Bonifacio et de Mohamed Faouzi Boussaha.

Soutenue le 08-10-2019

à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....) , en partenariat avec GEPI- Galaxies, Etoiles, Physique, Instrumentation (laboratoire) , Observatoire de Paris (établissement opérateur d'inscription) et de Galaxies- Etoiles- Physique- Instrumentation / GEPI (laboratoire) .

Le président du jury était Maria Antonietta Barucci.

Le jury était composé de Piercarlo Bonifacio, Mohamed Faouzi Boussaha, Frédérique Gadot, François Pajot, Andrea Catalano.

Les rapporteurs étaient Frédérique Gadot, François Pajot.


  • Résumé

    Les MKIDs (Microwave Kinetic Inductance Detectors) par leurs aptitudes à compter les photons, à mesurer leurs énergies individuelles et à acquérir des images à très haute cadence sont susceptibles de permettre une révolution observationnelle dans le visible et l’infrarouge proche. Un détecteur MKID est un résonateur supraconducteur LC dont la fréquence de résonance intrinsèque est fixée par les caractéristiques physiques ainsi que la géométrie des parties inductives et capacitives. La détection est basée sur l'absorption de photons incidents par la partie inductive, qui modifie l'inductance cinétique du supraconducteur provoquant un décalage fréquentiel. Comparativement aux CCDs, les MKIDs permettent des vitesses de lecture plus rapide à des niveaux de bruit plus faibles car ils ne souffrent ni de bruit de lecture ni de bruit de courant d’obscurité. De plus, les MKIDs permettent de réaliser un multiplexage fréquentiel simple, ouvrant la voie à la réalisation de matrices comportant des milliers de pixels lus en temps réel avec une seule ligne de lecture. Les MKIDs optiques actuels sont souvent définis à partir d’un méandre inductif en série avec une capacité interdigitée. Afin de maintenir des fréquences de résonance relativement basse, typiquement quelques GHz, celle-ci doit être large et peut occuper jusqu’à 90% de la taille d’un pixel. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous proposons une nouvelle conception qui consiste à remplacer la capacité interdigitée par une capacité parallèle plus compacte, permettant de réduire considérablement la taille du pixel. Ceci a permis d’atteindre un plus grand facteur de remplissage en vue, entre autres, d’une meilleure résolution spatiale des imageurs optiques dédiés à l’astronomie. Dans ce travail de thèse, je présenterai la conception et la fabrication d’une matrice de LEKIDs (Lumped Element Kinetic Inductance Detectors) utilisant le nitrure de titane (TiN) comme absorbeur supraconducteur, ainsi que les résultats expérimentaux, très prometteurs, obtenus entre 70 et 300 mK.

  • Titre traduit

    Development of near infrared and visible MKIDs (Microwave Kinetic Inductance Detectors) for astronomy.


  • Résumé

    KIDs (Microwave Kinetic Inductance Detectors) by their ability to count photons, to measure their individual energies and to acquire images at very high rates are likely to allow an observational revolution in the visible and near infrared. A MKID detector is basically an LC superconducting resonator whose intrinsic resonance frequency is fixed by the physical characteristics as well as the geometry of the inductive and capacitive parts. The detection is based on the absorption of incident photons by the inductive part, which modifies the kinetic inductance of the superconductor causing a frequency shift. Compared to CCDs, MKIDs allow a faster readout with lower noise as they do not suffer from the readout and dark current noises. In addition, MKIDs allow the implementation of a simple frequency multiplexing, paving the way to arrays comprising thousands of pixels which can be read in real time using a single readout line. The current optical MKIDs are often patterned from an inductive meander in series with an interdigitated capacitor whose size must be large enough to maintain a low resonance frequency, typically a few GHz, which can be easily measured with inexpensive and easy-to-use readout electronics. However, for the classical designs, the interdigitated capacitor can cover up to 90 % of the overall pixel surface. This is detrimental for many astrophysical applications as it leads to large pixels and a very low fill factor. This thesis work consists in implementing a new architecture where the large interdigitated capacitor is replaced by a parallel plate capacitor which features a larger capacitance value within a much smaller space allowing to strongly reduce the size of the pixels. This will lead to a higher filling factor and a better spatial resolution of optical imaging systems. I will present the design and fabrication of parallel-plate capacitor-based lumped element kinetic detector arrays using titanium nitride (TiN) as a superconducting absorber, as well as promising experimental results obtained between 70 and 300 mK.


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