Message de Tituan Allain

J’ai le plaisir de vous inviter à ma soutenance de thèse sur mes travaux de ces trois dernières années. Le sujet de la thèse est "Preuve de concept expérimentale d’un interféromètre hétérodyne astronomique moyen-infrarouge avec corrélation photonique à haute bande passante et détecteurs à puits quantiques". La thèse a été dirigée par Jean-Philippe Berger.

La soutenance (en anglais) aura lieu le jeudi 12 décembre 2024 à 14:00, en salle Forestini à l’IPAG (414 rue de la Piscine, 38400 Saint-Martin d’Hères). Elle sera aussi accessible en direct sur Youtube via le lien suivant : https://youtube.com/live/R3ppnfniHw...

Composition du jury :

• Ludovic Grossard, Maître de Conférence, Xlim U. Limoges, Rapporteur
• Nicolas Forget, Directeur de recherche, INPHYNI CNRS, Rapporteur
• Karine Perraut, Astronome, IPAG UGA, Examinatrice
• Aline Dinkelaker, Chargée de recherche, AIP Leibniz, Examinatrice
• Benoît Darquie, Chargé de recherche, LPL CNRS, Examinateur
• Lucas Labadie, Professeur, I. Physics Institute U. Köln, Examinateur
• Carlo Sirtori, Professeur, LPENS, Invité

Résumé :

L’émission dans le moyen infrarouge des disques protoplanétaires et des enveloppes stellaires contient de précieuses informations sur leur composition en poussières et en gaz, ainsi que sur les phénomènes qui se produisent au voisinage des étoiles jeunes, comme la formation de planètes terrestres. Pour étudier en détail la physique de ces systèmes dynamiques, il faudrait une résolution inférieure à l’unité astronomique sur des objets à une centaine de parsecs. Une telle résolution ne peut être obtenue que par interférométrie à très longue base car elle correspond à des diamètres de télescope kilométriques. La création d’un interféromètre dans le moyen infrarouge avec de longues lignes de base a été identifiée par l’initiative Planet Formation Imager comme la prochaine étape majeure pour contraindre les modèles théoriques de formation planétaire.

Actuellement, les interféromètres infrarouges les plus sensibles, comme MATISSE et GRAVITY au VLTI, reposent sur la recombinaison directe de quelques télescopes. Une telle méthode est difficilement extensible à un grand nombre de télescopes sur des lignes de base kilométriques en raison des pertes en transmission et de l’encombrement des infrastructures. L’interférométrie hétérodyne, largement utilisée dans le domaine radio, pourrait représenter une alternative à l’interférométrie directe car elle ne nécessite pas de recombiner physiquement la lumière des télescopes. Elle repose sur la détection hétérodyne du champ électrique de la lumière à chaque télescope, avec un oscillateur local référencé en phase et des détecteurs moyen infrarouge à grande bande passante. Les signaux résultants sont transmis à un corrélateur qui en extrait les observables interférométriques. Cependant, l’interférométrie hétérodyne moyen infrarouge souffre d’une sensibilité réduite en raison du bruit quantique inhérent à la détection hétérodyne. Pour détecter des objets peu lumineux, des efforts considérables sont nécessaires afin de résoudre les défis techniques et technologiques qui limitent la sensibilité d’un tel système.

Mon doctorat se concentre sur les aspects de corrélation et de détection moyen infrarouge de l’interférométrie hétérodyne. L’aspect corrélation consiste à mettre en place et à caractériser le banc de démonstration HIKE (Heterodyne Interferometry Kilometric Experiment) de l’IPAG, à Grenoble. Ce banc utilise un corrélateur photonique analogique constitué de composants télécoms à 1,5 micromètre pour corréler des signaux moyen infrarouge à 10 micromètres, avec des bandes passantes de l’ordre du gigahertz. Une telle expérience de corrélation photonique de signaux moyen infrarouge est une première mondiale. J’ai développé une méthodologie pour caractériser les niveaux de bruit dans le système afin d’identifier les éléments qui dégradent la mesure de la visibilité interférométrique. Mes résultats montrent que le niveau de bruit associé au corrélateur photonique ne dégrade pas le rapport signal sur bruit du système. Ainsi, la corrélation photonique peut être utilisée comme alternative à la corrélation numérique, habituellement utilisée en radioastronomie, mais lourde en calculs numériques.

Actuellement, la principale limite de notre système vient des détecteurs commerciaux utilisés pour la détection hétérodyne. J’ai donc étudié la possibilité de remplacer nos détecteurs par des détecteurs à puits quantiques à large bande passante. Ce travail a été réalisé en collaboration avec l’équipe QUAntum physics and Devices (QUAD) du LPENS à Paris, où j’ai caractérisé des détecteurs moyen infrarouge à puits quantiques de type QWIP et QCD utilisant des métamatériaux. En théorie, les larges bandes passantes de ces détecteurs permettraient de détecter plus de signal astronomique. Cependant, malgré des progrès récents, l’efficacité quantique de ce type de détecteurs reste actuellement trop faible pour notre application d’interférométrie hétérodyne. De nouvelles avancées technologiques sont nécessaires.

I am please to invite you to my PhD defense on "Experimental proof of concept of a mid-infrared heterodyne astronomical interferometer using high bandwidth photonic correlation and quantum well detectors", supervised by Jean-Philippe Berger at IPAG.

The defense (in English) will take place on Thursday December the 12th at 14:00, in the Forestini room at IPAG (414 rue de la Piscine, 38400 Saint-Martin d’Hères).
It will also be broadcasted on Youtube, you can access it using the following link : https://youtube.com/live/R3ppnfniHw...

The Jury will consist of :

• Ludovic Grossard, Associate Professor, Xlim U. Limoges, Referee
• Nicolas Forget, Senior Researcher, INPHYNI CNRS, Referee
• Karine Perraut, Astronomer, IPAG UGA, Examiner
• Aline Dinkelaker, Researcher, AIP Leibniz, Examiner
• Benoît Darquié, Researcher, LPL CNRS, Examiner
• Lucas Labadie, Professor, I. Physics Institute U. Köln, Examiner
• Carlo Sirtori, Professor, LPENS, Invited

Abstract :

The mid-infrared emission from protoplanetary disks and stellar envelopes carries precious information about their dust and gas composition and the phenomena occurring in the vicinity of young stars, like the formation of terrestrial planets. To study the underlying physics of such dynamical systems, astronomical instruments require a resolution below the astronomical unit on objects a hundred parsecs away. This resolution can only be achieved with long-baseline interferometry because it corresponds to telescope diameters of a few kilometres. The Planet Formation Imager initiative has identified the creation of a mid-infrared interferometric array with a large number of telescopes as the next major step to constrain the theoretical models that describe planetary formation.

Currently, the most sensitive infrared interferometers, like the MATISSE and GRAVITY instruments at VLTI, rely on the direct recombination of light from several telescopes. This method is hardly scalable to many telescopes on kilometric baselines because of transmission losses and the bulkiness of the infrastructures. Heterodyne interferometry, which is widely used in radio-interferometry, has been identified as a possible alternative to direct interferometry in the mid-infrared because it does not require recombining the light from all telescopes physically. Instead, it relies on the heterodyne detection of the astronomical electric field with a phase-referenced local oscillator (a laser) and detecting the intermediate frequency with high-bandwidth detectors. The resulting signals are transmitted to a correlator whose role is to retrieve the interferometric observables from them. However, mid-infrared heterodyne interferometry suffers from reduced sensitivity because of the inherent quantum noise in heterodyne detection. Therefore, to detect weak astronomical objects, considerable efforts must be put to solve the technical and technological challenges that further limit the sensitivity of an heterodyne system.

My PhD thesis concentrates on the correlation and detection aspects of mid-infrared heterodyne interferometry. The correlation aspect consists of setting up, operating, and characterising the HIKE (Heterodyne Interferometry Kilometric Experiment) demonstration bench at IPAG, Grenoble. The bench uses an analogue photonic correlator built with commercial telecom components at 1.5 micrometres wavelength to correlate mid-infrared signals at 10 micrometres wavelength with gigahertz bandwidths. Such a set-up is a world premiere. I have developed a methodology to characterise the noise levels inside the system to identify the top offenders that hamper the measurement of interferometric visibility, and implement solutions to improve the sensitivity of the bench. My results show that the noise level associated with the photonic correlator is sufficiently low not to deteriorate the signal-to-noise ratio of the system. Hence, photonic correlation is sensitive enough to be used by heterodyne interferometry as an alternative to the computationally heavy digital correlation that is often used for radio heterodyne interferometry.

The current top offenders of our system are the commercial mid-infrared detectors that are used for heterodyne detection. Therefore, to improve the sensitivity of the bench, I have studied the possibility of replacing our detectors with high-bandwidth mid-infrared quantum well detectors. This work has been done in collaboration with the QUAD team at LPENS, Paris, where I have characterised metamaterial enhanced Quantum Well Infrared Photodetectors (QWIP) and Quantum Cascade Detectors (QCD). The high bandwidths of these detectors would represent a significant advantage to detect a larger chunk of the astronomical signal. However, despite recent progress, their quantum efficiencies currently remain too low to obtain a game-changing sensitivity improvement in heterodyne interferometry. Further improvement in the technology is required.

Mis à jour le 12 décembre 2024