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Publié le 18 mai 2020

Les composants clés d'un récepteur d’ondes térahertz, fabriqués en salle blanche au C2N, embarqueront à bord de la mission JUICE de l’ESA

Le C2N et le Laboratoire d’Etude du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique et Atmosphères – LERMA1 ont développé conjointement un procédé de fabrication de nano-diodes Schottky térahertz ayant permis de construire le récepteur hétérodyne le plus sensible au monde à 1080-1275 GHz. Ces composants ont été sélectionnés pour équiper un instrument de la mission JUICE de l’ESA, qui décollera en 2022.

Les diodes Schottky sont des briques de base pour réaliser des mélangeurs et multiplicateurs de fréquence térahertz et sub- térahertz qui peuvent fonctionner à température ambiante et cryogénique. Elles sont nécessaires pour répondre aux besoins de différentes missions spatiales du CNES (Centre National d’Etude Spatiale) et de l'ESA (European Space Agency). Le CNES et le LERMA ont longtemps recherché un fournisseur français de tels mélangeurs / multiplicateurs pour construire des récepteurs et des instruments hétérodynes à térahertz pour l'astronomie, la science planétaire et la télédétection atmosphérique.

Le C2N2, en partenariat avec le LERMA depuis 2006, a développé un procédé de fabrication de nano-diodes Schottky THz intégrées sur membrane d’arséniure de gallium (GaAs), qui a permis de réaliser le récepteur Schottky à 1080-1275 GHz le plus sensible au monde. Cela a nécessité près de dix ans de mise au point : la croissance des matériaux du composant (de nombreuses investigations ont été menées pour obtenir un dopage précis afin de garantir les performances des diodes), et la procédure de fabrication ont été mises au point en bénéficiant de la compétence exceptionnelle des personnels du C2N et de sa Centrale de Technologie3 sur les composants électroniques ; la conception, l’assemblage et la caractérisation ont été menés à l'Observatoire de Paris par le LERMA. En réunissant les expertises et les compétences de pointe des deux laboratoires et suite à de nombreuses années de développement, des composants submillimétriques à 300 GHz, 600 GHz et 1,2 THz avec des performances à l'état de l'art ont été réalisés à partir de 2016.

JUICE, pour JUpiter ICy moons Explorer, est la première mission de grande envergure du programme Cosmic Vision 2015-2025 de l'Agence Spatiale Européenne (ESA). Prévue pour être lancée en 2022 et arriver au voisinage de Jupiter en 2030, cette sonde planétaire passera au moins trois ans à faire des observations détaillées de Jupiter et de trois de ses plus grandes lunes, Ganymede, Callisto et Europa. La charge utile est composée de dix instruments dont l’instrument SWI, qui étudiera la structure, la composition et la dynamique des températures de la stratosphère et de la troposphère de Jupiter ainsi que les exosphères et les surfaces des lunes glacées.

SWI, pour Submillimetre Wave Instrument, est un spectromètre hétérodyne submillimétrique. Sa réalisation est organisée par un consortium international dirigé par l'institut Max Planck pour la recherche sur le système solaire (Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung) à Göttingen, Allemagne. SWI est constitué d'une antenne parabolique de 30 cm et de deux canaux de mesure de spectres dans les gammes 530-625 GHz et 1080-1275 GHz (correspondant aux domaines de longueurs d’onde 480-566 µm et 235-277 µm). Il sera le premier instrument capable d'atteindre une résolution spectrale de 107 et une précision de fréquence de 10-8 dans ces gammes de fréquences. Cet instrument inclut 3 composants ou sous-systèmes clés du C2N et LERMA : les multiplicateurs de 300 GHz et de 600 GHz, et le mélangeur de 1,2 THz. Les résultats obtenus sur ces composants et sous-systèmes devraient permettre à SWI d'atteindre une sensibilité deux fois plus grande que celle initialement planifiée, rendant ainsi possible de réduire par quatre les temps d'intégration nécessaires aux observations du système Jovien ; Jupiter et les objets se trouvant dans sa sphère d'influence.

Enfin pour le bon fonctionnement de ces composants et ces sous-systèmes dans la mission spatiale JUICE, de nombreux tests modélisant les étapes de la mission sont incontournables pour les qualifications : lancement, séparations des étages, variations de températures, vieillissement des composants, radiations. Le LERMA a réalisé ces qualifications sur plusieurs versions des composants et des sous-systèmes : modèles structurels et thermiques, modèles d'ingénierie et modèles de qualification. L'essentiel des étapes a été franchi avec succès, les toutes dernières opérations sont actuellement en cours sur les modèles de vol qui seront livrés en juin 2020.

La réalisation de ces composants a bénéficié de la contribution de nombreux membres4 de la Centrale de Technologie du C2N et du LERMA. Depuis 2011, une ingénieure de recherche de l’Observatoire de Paris (Lina Gatilova) est hébergée au C2N dans le cadre d'un accord conjoint pour développer la technologie Schottky. Ces recherches ont été soutenues par le CNES sur plusieurs années, par l’ESA et aussi à partir de 2013 par le Labex ESEP dans le cadre d’une thèse de l’école doctorale SMAER.

 

1 Observatoire de Paris-Meudon (ObsPM) / CNRS / Univ. Cergy-Pontoise / ENS PARIS / Univ. Sorbonne Université
2 Ex-LPN, Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (CNRS), qui a fusionné en juin 2016 avec l’Institut d’Electronique Fondamentale – IEF (CNRS/UPSUD) pour former le C2N

3 Salle blanche de technologie, membre du réseau national RENATECH
4 C2N : Edmond Cambril, Laurent Couraud, Laetitia Leroy, Alan Durnez, Stéphane Guilet, Christian Ulysse (plateforme PIMENT) et Antonella Cavanna (plateforme POEM). LERMA : Jerome Valentin.

Références (publications) :

En savoir plus sur l'instrument SWI et la mission JUICE :

Contacts :

(Figure) Haut : Image MEB (Microscopie Electronique à Balayage) de la diode Schottky du radiotélescope SWI, un des 10 instruments de la sonde JUICE.
Bas gauche : Images MEB des circuits intégrés monolithiques hyperfréquences (MMIC) THz fabriqués au C2N, basés sur une diode Schottky à anode inférieure micrométrique fabriquée sur membrane GaAs et dotée de faisceaux frontaux pour une mise à la terre RF précise.
Bas droite : Engineering Model (EM) du récepteur front-end 1200GHz fabriqué au LERMA, consistant en un doubler D300X2, un doubler D600GHz et un mixer 1.2THz.