Echantillonnage direct de franges lumineuses avec des nanodétecteurs supraconducteurs dans un interféromètre en optique intégrée : application à la conception et la réalisation d'un micro-spectromètre SWIFTS, Direct sampling of light interferences with superconducting nanodetectors for the realization of a SWIFTS microspectrometer.

Paul Cavalier

Description

Sous la direction de Philippe Feautrier
Thèse soutenue le 18 mai 2011: Grenoble
Ce travail porte sur la réalisation d'un microspectromètre SWIFTS (Stationary Wave Integrated Fourier Transform Spectrometer) incluant des compteurs de photons SNSPD (Superconducting Nanowire Single Photon Detector). Il met en œuvre un interféromètre intégré à guide d'onde en arête bouclé, en SiN, sous lequel sont disposés 24 nanofils supraconducteurs SNSPD en NbN échantillonnant les interférences au pas de 160nm, à une longueur d'onde centrée sur 1.55µm. La conception, l'étude des composantes optique et électronique, la fabrication et la caractérisation à 4.2K sont décrites, jusqu'à la mise en évidence d'une modulation de puissance lumineuse dans le guide conformément à la formation attendue d'interférences. Le SWIFTS-SNSPD constitue le premier dispositif optoélectronique supraconducteur à part entière, doublement intégré. Sa capacité unique d'échantillonnage direct de franges d'interférences ouvre de nombreuses perspectives, pour des applications allant de l'astrophysique aux télécoms.
-SWIFTS
-Spectromètre à transformée de Fourier
-Dispositif Intégré Supraconducteur
-Optoélectronique Intégrée Refroidie
-SNSPD NbN
-Compteur de Photons Supraconducteur
This work presents the realization of a SWIFTS (Stationary Wave Integrated Fourier Transform Spectrometer) micro-spectrometer with SNSPD (Superconducting Nanowire Single Photon Detector) photon counters. The device features an integrated interferometer made of a SiN loop ridge-waveguide, with an array of 24 NbN-nanowire SNSPD underneath that samples at a 160nm period the interferogram of a laser light, at a wavelength centred on 1.55µm. The conception, preliminary studies of integrated optics and electronics, fabrication and characterization at 4.2K of the final device are described, in particular the observation of the detected signal modulation in the waveguide in agreement with the expected interference formation. The SWIFTS-SNSPD constitutes the first stand-alone, fully integrated superconducting optoelectronic device. Its unique capability of direct sampling of light interferogram opens numerous perspectives, with possible applications ranging from astrophysics to telecommunications.
-SWIFTS
-Fourier Transform Spectrometer
-Superconducting Integrated Devices
-Cooled Integrated Optoelectronics
-NbN SNSPD
-Superconducting Photon Counter
Source: http://www.theses.fr/2011GRENT027/document

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 95
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 16 Mo

Extrait

THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : Micro et Nanoélectronique
Arrêté ministériel : 7 août 2006



Présentée par
Paul CAVALIER


Thèse dirigée par Philippe FEAUTRIER et
codirigée par Jean-Claude VILLEGIER

préparée au sein du CEA - Institut Nanosciences et Cryogénie
dans l'École Doctorale EEATS : Electronique, Electrotechnique,
Automatique et Traitement du Signal

Echantillonnage direct d’interférences
lumineuses à l’aide de nanodétecteurs
supraconducteurs pour la réalisation d’un
micro-spectromètre SWIFTS



Thèse soutenue publiquement le 18 Mai 2011,
devant le jury composé de :
M Pierre BENECH
Professeur et président de Grenoble-INP Phelma,
M Philippe FEAUTRIER
Ingénieur de recherche CNRS-Grenoble,
M Jean-Paul MANEVAL
Professeur émérite de l’Université Paris-VII,
Mme Laurence MECHIN
Chargée de recherche CNRS-Délégation Normandie, Rapporteur
M Jean-Claude VILLEGIER
Chercheur Expert-Senior au CEA-Grenoble,
M Hugo ZBINDEN
Maitre d’enseignement et de recherche de l’Université de Genève, Rapporteur

Invités :
M Christophe CONSTANCIAS
Docteur-Ingénieur de recherche au CEA-LETI
M Hervé GEOFFRAY
Chercheur au CNES-Toulouse







Préambule - i -
- PREAMBULE -




-3000 av. JC, région de l’actuel Mercantour, au pied de l’actuel Mont Bégo. Un homme
lève les yeux vers le ciel, voit cet astre brulant qu’on appelle « soleil », l’observe. Puis
grave dans la pierre des dagues, des têtes d’animaux et des champs. Il joue avec les
ombres crées, dirige et aligne ses dagues vers le soleil couchant, associe les gravures
avec les éléments. Il en fait ainsi inlassablement, suivi de ses descendants, pendant plus
de 1500 ans.
5000 hivers plus tard, d’autres hommes arpentent ces mêmes coteaux escarpés de la
dite « Vallée des Merveilles », répertorient et redessinent ces quelque 100000 étranges
marques laissées dans la roche… et font le même geste, regardent le soleil le jour, puis le
ciel saupoudré d’étoiles la nuit, les yeux empreints d’admiration devant tant de beauté, la
pensée mystifiée à la recherche des intentions premières à l’origine des dessins.
Qu’auraient-ils fait, à leur place ?

Que peut il se passer dans ce regard, perdu et admiratif devant l’immensité qu’il sait
inaccessible ? Un sentiment de beauté, d’absurdité, d’inspiration ? Tout ça lui échappe et
n’importe que peu dans l’instant : il respire et sourit, silencieux.
Puis l’instant laisse place à la réflexion, l’observation : les mouvements se répètent, des
cycles se succèdent, mais quels sont-ils ? Pourquoi ? Quels sont ces objets lumineux ?
Qui sont-ils ? Des échos de l’infini ressassés, obsédants parfois, nécessitant des
réponses. Ou une compréhension, pourra-t-on entendre. Ou plutôt un sens ?


L’astronomie aujourd’hui bénéficie d’un effort de recherche que d’autres domaines
envient. L’homme s’est construit de nouveaux yeux pour voir plus petit et plus loin, en y
mettant les moyens technologiques, financiers et humains, à l’image de sa propre
capacité de concentration. « Pour quoi faire ? », demanderont certains. « Pour la
science », d’autres diront. Voire beaucoup plus encore.

Toucher au Divin, c’est peut être ce que l’on cherche tous à travers les mille choses que
l’on fait, pour mille et une « bonnes » raisons, plus ou moins maladroitement. Doit-il être
si sensationnel pour qu’on en oublie nos peurs…


Mais au fond, l’Homme ne change pas beaucoup.

Préambule - i - - ii - Préambule

C’est peut être pour cela que lors d’une certaine nuit à la Bastille de Grenoble, mes yeux
aussi se sont levés vers les étoiles, et qu’une joie immense m’a habité à l’idée de créer
un lien avec ces flocons de lumière…



Ce mémoire de thèse situera tout d’abord le contexte général de l’observation
astronomique, afin d’en cerner les besoins actuels et d’identifier l’utilité du nouvel
instrument qui constitue l’objectif des recherches menées. Après une présentation du
concept-clé innovant du spectromètre SWIFTS, nous étudierons les différents volets qui
le structurent : des nanodétecteurs supraconducteurs ultra-rapides et ultra-sensibles,
alliés à une optique intégrée capable de guider la lumière de façon fiable et précise. Nous
décrirons le travail de conception du dispositif final mené, puis sa fabrication, ainsi que
les moyens mis en œuvre pour caractériser l’ensemble. Les résultats des campagnes de
mesures seront analysés, pour enfin conclure sur les perspectives d’application et
d’évolution d’un tel instrument.






















- ii - Préambule
Remerciements - iii -
REMERCIEMENTS




Me voici donc devant l’exercice redouté et attendu, sans lequel cette thèse manquerait
d’une âme pour demeurer un ‘simple’ compte-rendu technique : les Remerciements, une
chance de pouvoir rendre humain un tel document !


Mes premiers remerciements vont naturellement à Philippe et Jean-Claude, directeur et co-
encadrant de ma thèse, qui m’ont accueilli et ont toujours cru en mes capacités à mener à
bien les travaux même, ou en particulier devrais-je dire, lorsque les choses semblaient
jouer en ma défaveur. Votre aide et votre soutien m’ont été essentiels pour en arriver là !

Je remercie Laurence Mechin, de l’ENSICAEN, et Hugo Zbinden de l’Université de Genève
pour avoir accepté d’être rapporteurs de ce manuscrit. Je remercie de plus Pierre Benech
(Grenoble-INP) et Jean-Paul Maneval (LPA – Paris) pour avoir accepté d’intégrer le jury de
ma soutenance.

Le SWIFTS-SNSPD n’aurait pu voir le jour sans deux personnes absolument cruciales dans
ce travail : Alain Morand (IMEP – LAHC) pour l’optique intégrée du dispositif et Christophe
Constancias (CEA – LETI) pour la périlleuse lithographie électronique des détecteurs… Votre
compétence et votre professionnalisme m’ont beaucoup apporté, et pas seulement pour
l’avancement du travail. Je ne remercierai jamais assez Alain pour s’être montré aussi
disponible et pédagogue pour m’aiguiller dans la conception puis la caractérisation des
guides d’ondes. Christophe, merci encore pour ces heures de tentatives, de galères, puis
d’être quand même revenu un matin de janvier pour tenter l’ultime insolation alors que le
gong final approchait et qu’on avait bien du mal à y croire… ça valait le coup !
Un grand merci également à Jean-Michel Martinod (CEA – INAC), dont l’expertise dans la
conception des cannes cryogéniques fut indispensable à la caractérisation. Merci aussi à
Michel Boujard pour la fabrication des pièces, même si je n’ai pas réussi à expliquer
clairement à quoi elles allaient servir. En tous cas, ça marche !
Coté fabrication, je remercie Delphine Constantin et Martine Gri de la PTA-CIME pour avoir
toujours réagi rapidement pour réaliser mes dépôts et mes découpes, ainsi que Thibault
Haccart (PTA-1009) toujours efficace pour solutionner les problèmes rencontrés à la PTA.
Merci aussi à Pierre Kern et Etienne le Coarer de l’IPAG pour les fructueuses discussions afin
de me sortir la tête du guidon et voir la portée instrumentale du SWIFTS-SNSPD en
astrophysique et ailleurs.


Enfin, les années au CEA m’ont amené à côtoyer beaucoup de personnes de l’INAC-SPSMS,
que je remercie toutes chaleureusement pour leur bienveillance et leur aide, malgré ma
discrétion : ce sont des encouragements qui m’ont été précieux et que je n’oublie pas. Je
vous souhaite à tous une bonne continuation, et j’aurai plaisir à vous recroiser !







Remerciements - iii - - iv - Remerciements
Bien entendu, une thèse ne se limite pas à une expérience de recherche en laboratoire, et je
dois dire avoir eu la chance inouïe d’avoir pu cultiver une vie ‘extérieure’ d’une richesse
incroyable. Sans vouloir (ni pouvoir, de toutes façons), tout passer en revue, il y a tout de
même quelques aspects qui sortent du lot.

Comment consid&#