This thesis describes the work undertaken in producing the passive radio-frequency section of a heterodyne receiver for use on the United Kingdom Infra-Red Telescope at signal frequencies in the 200-300 GHz range. This is a Quasi-Optical system, comprised of a Martin-Puplet polarising interferometer employed as a diplexer and the lenses and feed horns by which the diplexer was coupled to the telescope, local oscillator, and mixer. The Gaussian beam-mode approach was employed to develop a theoretical basis for understanding the operation of such a system upon coherent paraxial beams. Quasi-Optical systems were then designed and their performance predicted by the application of this extension of Gaussian optics. Two such systems were constructed and their performance determined by laboratory measurements to be as predicted. One of these systems was then installed on the telescope where it was shown to function as designed. As part of the calibration and test routine on the telescope a number of astronomical measurements were made, including a determination of the apparent temperatures of the planets Jupiter and Saturn by a method different to that employed for results previously published. The Quasi-Optical receiver was successfully calibrated and commissioned as a common-user instrument. As such it will continue to be used in a variety of astronomical research programs undertaken by various groups.

Superconductor-Insulator-Superconductor (SIS) mixers are now used regularly in sub- millimetre astronomical receivers. They have already achieved sensitivity approaching the quantum limit at frequencies below the superconducting gap of niobium (~680 GHz). Above that, the mixer performance is compromised by losses, unless materials with higher superconducting gap are employed in conjunction with the niobium tunnel junction. In this thesis, we present the development of 700 GHz niobium SIS mixers, employing a unilateral finline taper on a thin Silicon-On-Insulator (SOI) substrate. These mixers are broadband with full on-chip planar circuit integration, and require only a very simple mixer block. They were designed using rigorous 3-D electromagnetic simulator (HFSS), in conjunction with a quantum mixing software package (SuperMix), and have demonstrated good performance with the best noise temperature measured at 143 K. Our mixer devices were fed by multiple flare angle smooth-walled horns, which are easy to fabricated, yet retain the high performance of corrugated horns. The radiation patterns measured from 600–740 GHz have shown good beam circularity, low sidelobe and cross-polarization levels. In this thesis, we also present SIS mixer designs with balanced and sideband separ- ating capability. These mixers employ back-to-back finline tapers, so that the RF and local oscillator (LO) signals can be injected separately without a beam splitter. We have fabricated and tested the performance of the balanced mixers, and analysed their performance thoroughly. We have also investigated a new method of generating LO signals by beating the tones of two infrared lasers. Using the current 16-pixel 350 GHz SIS receiver, HARP-B, we have observed the ¹²CO J=3→2 emission lines from two nearby galaxies. An important result we found is that the ¹²CO J=3→2 correlates strongly with the 8 μm Polycyclic Aromatic Hydrocarbon emission.

Des MEMS supraconducteurs ont été développés par l’IRAM pour des besoins instrumentaux dans les récepteurs hétérodyne large bande en millimétrique. Dans ce mémoire, la caractérisation de ces MEMS capacitifs par des mesures profilométriques, vibrométriques, aux rayons X , électriques et thermiques est présentée. Ils ont en outre été modélisés avec un modèle analytique électromécanique simple. Ce modèle est complété par un schéma équivalent haute fréquence semi-distribué facilement implantable dans le simulateur multiphysique COMSOL pour prendre en compte la supraconductivité. Ce travail a permis de déterminer quelles géométries de ces MEMS sont satisfaisantes pour une utilisation dans les récepteurs hétérodyne large bande en hyperfréquence. / Superconducting MEMS were developed by IRAM for millimetre wave heterodyne receivers improvements. In this report, the characterization of these capacitive MEMS is presented (profilometry, vibrometry, X rays, electric and thermal). They were described with a simple analytical electromechanical model which can be easily implemented with an equivalent high frequency circuit in the COMSOL multiphysic software to take into account the superconductivity. This work answers to the question of what are the MEMS geometries well suited for broadband heterodyne receivers requirements.

Les observations astronomiques nous permettent d’étudier l’univers et de comprendre les phénomènes qui le gouvernent. La matière visible dans l’univers émet des ondes à des fréquences très diverses, réparties sur tout le spectre électromagnétique (domaines radio, submillimétrique, infrarouge, visible, ultraviolet, X et gamma). Ces ondes nous renseignent sur certaines caractéristiques physico-chimiques des éléments observés (nature, température, mouvement, etc.). Des télescopes couvrant différentes plages de fréquences sont nécessaires pour observer l’ensemble du spectre électromagnétique. Les radio-télescopes, sensibles aux ondes (sub)millimétriques, sont principalement dédiés à l’observation de la matière froide présente dans le milieu interstellaire. Le milieu interstellaire est le berceau des étoiles et son étude est essentielle pour comprendre les différentes étapes de la vie des étoiles. La fréquence maximale d’observation des radio-télescopes est en augmentation depuis la fabrication des premiers radio-télescopes dans les années 1930. Récemment, des radio-télescopes capables de détecter des signaux dans l’infrarouge lointain, au delà de 1 THz, ont été développés. Ces avancées technologiques ont été motivées, entre autres, par la présence, dans le milieu interstellaire, de molécules et d’ions uniquement observables à des fréquences supérieures à 1 THz. Pour observer des raies avec une haute résolution spectrale, les radio-télescopes sont équipés de récepteurs hétérodynes. Ce type de récepteur permet d’abaisser la fréquence de la raie spectrale observée tout en conservant ses caractéristiques (une raie observée à 1 THz peut, par exemple, être décalée à une fréquence de 1 GHz). Cette technique permet d’observer des raies avec une très haute résolution spectrale et c’est pourquoi les récepteurs hétérodynes sont largement utilisés pour les observations de raies spectrales aux fréquences GHz et THz. Dans les récepteurs hétérodynes, un oscillateur local (OL) émet un signal monochromatique à une fréquence très proche de celle du signal observé. Les deux signaux sont superposés à l’aide d’un diplexeur et transmis à un mélangeur. Ce dernier réalise le battement des deux signaux et génère un signal identique au signal observé mais à une fréquence plus faible. Durant ma thèse, j’ai travaillé sur la construction, la caractérisation et l’amélioration d’un récepteur hétérodyne à 2.6 THz. Cette fréquence d’observation (2.6 THz) est l’une des plus hautes atteintes par les récepteurs hétérodynes THz existant actuellement, ce qui constitue un défi technologique très important. Dans le but de caractériser et d’améliorer ce récepteur, je me suis concentré sur trois aspects essentiels ..... / (Sub)Millimeter-telescopes are often used to observe the interstellar medium in the universe and they enable us to study the stellar life cycle. To detect and study some important molecules and ions, we need receivers able to observe at frequencies above 1 THz. Receivers working at such high frequencies are quite new and the 2.6 THz heterodyne receiver I built and characterized during my PhD represents the state-of-the-art of THz heterodyne receivers. I especially focused on three important aspects of this receiver: its stability, the superimposition of the local oscillator signal (LO) and the observed signal by a diplexer, and the splitting of the LO signal by a phase grating. The stability was calculated with the Allan variance and I found that the two elements limiting the stability of our receiver were the 1.4 THz local oscillator and the mixer bias supply. The Martin-Puplett interferometer (MPI) diplexer I designed, built and tested is able to transmit 76 % of the LO power at 2.6 THz and we estimate a transmittance around 79 % for the observed signal. This MPI is operational and ready for the next generation of heterodyne receivers. Splitting the LO signal is essential to build heterodyne receivers with several pixels, which allows us to get spectra of the universe at many positions in the sky simultaneously. I have developed a new kind of grating, called Global gratings, and I made two prototypes of these Global phase gratings able to split the LO beam into four beams. These two phase grating prototypes, a transmissive and a reflective one, were optimized for 610 GHz and showed, respectively, an efficiency of 62 ± 2 % and 76 ± 2 %. These excellent results validate the design and fabrication processes of this new kind of grating. In conclusion, the work accomplished during this PhD constitutes an important step toward the realization of a very stable and highly sensitive 2.6 THz multi-pixel heterodyne receiver using a MPI diplexer.

La conception, fabrication et caractérisation d’un récepteur hétérodyne à 1.2 THz a été effectuée par le Laboratoire d’Etudes du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique et Atmosphères (LERMA) et constitue la base de ce rapport de thèse. Les études, analyse et résultats présentés dans ce manuscrit ont été effectués dans le cadre la mission JUpiter ICe moon Explorer (JUICE). JUICE est la première des grandes missions proposées à l’agenda du programme spatial Cosmic Vision 2015-2025 de l’Agence Spatial Européenne (ESA). La mission satellitaire JUICE est consacrée à l’étude du système Jovien. La charge utile du satellite est composée de 10 instruments à l’état-de-l’art et d'une expérience. Le développement du récepteur hétérodyne à 1.2 THz présenté dans cette thèse est dédié à SWI, acronyme anglais de “Submillimeter Wave Instrument", qui, grâce à une résolution spectrale de 107, étudiera à partir de 2030 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. La partie haute fréquence du récepteur est complètement basée sur la technologie de diodes Schottky planaires sur membrane d'arséniure de galium (GaAs), appelées “Planar Schottky Barrier Diodes” (PSBDs) dans le manuscrit. La réalisation du canal à 1.2 THz de SWI basé sur la technologie Schottky et entièrement développé par le consortium européen, dont fait parti le LERMA, a été le défi le plus significatif rencontré par ce dernier. L'extrême réduction de la taille des anodes des diodes Schottky nécessaire pour monter aux fréquences du THz a été atteinte en collaboration avec le Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (LPN) en utilisant la lithographie électronique pour la fabrication de véritables “Monolithic Microwave Integrated Circuits” (MMIC).Une partie importante du ce rapport de thèse et consacrée à l’étude des phénomènes physiques additionnels qui apparaissent quand les dimensions des diodes sont fortement réduites. En particulier, les modifications du comportement résistif et capacitif des diodes Schottky dues à des phénomènes microscopiques bidimensionnels ont été étudiées au moyen d’un simulateur bidimensionnel Monte Carlo (2D-MC), en collaboration avec l’Université de Salamanca, en Espagne.Comme détaillé dans ce manuscrit, la caractérisation précise du comportement capacitif de la diode Schottky est un point critique pour déterminer la plage de fréquences de leur utilisation pour une application donnée. Toute modélisation imprécise de cette propriété de la diode peut entrainer un décalage significatif de la plage de fréquences d’opération d'un circuit THz.Cependant, la modélisation précise des diodes Schottky à ultra-hautes fréquences, n'est qu'une des étapes requises pour réussir à concevoir correctement un circuit THz. L’analyse précise et méticuleuse de l’interaction entre le comportement électromagnétique du chip MMIC et le comportement physique des diodes Schottky a été le but le plus important poursuit dans ce travail doctoral pour le développement du récepteur à 1.2 THz. Cette tâche a été abordée en utilisant les outils commerciaux “High Frequency Simulation/Structure Software” (Ansys-HFSS) et “Keysight Advance Design System” (Keysight-ADS). La combinaison des simulations électromagnétiques des structures tridimensionnelles du chip MMIC (Ansys-HFSS) et les simulations du comportement électrique non-linéaire de la diode Schottky (Keysight-ADS) est la manière actuelle d'aborder la conception de ce type de circuits THz. Le modèle électrique analytique de la diode requis par l’outil ADS a été défini par l'auteur conformément aux résultats précédemment obtenus avec le simulateur physique Monte Carlo. L’implémentation du modèle étendu de la diode Schottky dans cette méthode pour la conception et l'optimisation de chaque étage du récepteur à 1.2THz, est le sujet développé dans ce rapport de thèse. / The design, fabrication and testing of a frequency heterodyne receiver at 1.2 THz has been developed by Laboratoire d’Etudes du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique et Atmosphères (LERMA) and it is the foundation of this dissertation. The studies, analysis and results presented in this manuscript have been carried out within the framework of the JUpiter ICe moon Explorer (JUICE) mission. JUICE is one of the proposed missions in the agenda of the European Space Agency (ESA) Cosmic Vision 2015-2025 program. The objective of the JUICE satellite mission is to study the Jovian system, especially the Jupiter atmosphere properties and the surface characteristics of its icy moons. Scientific equipment consisting of ten state-of-the-art instruments and one experiment comprise the payload of this satellite. The development of a 1.2 THz channel is part of the Submillimeter Wave Instrument (SWI) devoted to recovering the spectroscopy data of the Jupiter atmosphere and icy-moons’ surface composition. The scientific principle for this receiver is all-solid-state semiconductor technology based in GaAs Planar Schottky Barrier Diodes (PSBDs). The achievement of a 1.2 THz channel based in PSBDs totally developed by European partners was the major challenge proposed for SWI, with LERMA committed to this assignment. The required ultra-scaling of the Schottky anode size of PSBDs in the attainment of the THz range has been achieved in collaboration with Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (LPN) using e-beam photolithography in the fabrication of Monolithic Microwave Integrated Circuits (MMIC). An important part of this dissertation addresses the appearance of additional physical phenomena when ultrascaling solid-state PSBDs. Particularly, the modification of the electrical resistivity and capacitance of SBDs due to two-dimensional phenomena has been studied by means of a physical microscopic Two-Dimensional Monte Carlo (2D-MC) simulator, in collaboration with the University of Salamanca, Salamanca, Spain. As discussed within this manuscript, the accurate characterization of the diode capacitance is one of the critical points when opening a frequency window in the required frequency range of a THz application. A misunderstanding of this modified capacitance during the design of these devices can lead to a considerable offset in the frequency range of the experimental module. However, the accurate modeling of PSBDs in such high frequency applications is only a part of the expertise required for the successful completion of this challenge. The accurate and meticulous analysis of the interrelationship between the electromagnetic behavior of the MMIC chip and the physical behavior of the integrated PSBDs is the main challenge faced in this dissertation for the development of the 1.2 THz receiver. This task has been addressed using the commercial Ansys High Frequency Simulation/Structure Software (Ansys-HFSS) and the Keysight Advance Design System (Keysight-ADS). The combination of the three-dimensional electromagnetic characterization of the chip structure (obtained with HFSS) with the non-linear electrical circuit simulation (carried out by ADS) of diodes is the current methodology for the design of these modules. The analytical electrical model of PSBDs required by ADS software has been defined by this author in agreement with the results obtained with the 2D-MC simulator. The implementation of this approach in the design and optimization of the different stages of the accomplished 1.2 THz receiver is the main subject of this dissertation. The interaction between the physical model of the PSBDs and the electromagnetic modeling of the structure will be discussed within the different chapters of this dissertation. Finally, the mechanical engineering of these applications must be addressed in this discussion.