Modeling of the readout chain and optimization of digital signal processing on FPGA for superconducting kinetic inductance detectors

Les MKIDs (Microwave Kinetic Inductance Detectors) sont des détecteurs micro-ondes supraconducteurs à inductance cinétique, utilisés pour la détection des ondes millimétriques.Ces détecteurs, organisés en matrice, sont des résonateurs RF qui fonctionnent à des températures cryogéniques (~100mK), dont la fréquence de résonance, dans une gamme de fréquence comprise entre 1,3 GHz et 2.5 GHz, est sensible, entre autres, aux photons millimétriques.Pour effectuer la lecture de chaque pixel, les MKIDs sont couplés à une ligne de transmission. Il faut alors utiliser des techniques de multiplexage fréquentiel afin d’en sonder un maximum possible de MKIDs sur une même ligne. En effet, chaque MKID possède sa propre fréquence de résonance, avec un très haut facteur de qualité, ce qui permet d’en mettre un très grand nombre (plusieurs centaines) en série sur une même ligne de transmission.Au LPSC, des électroniques de lecture spécifiques ont été développées, combinant des techniques de traitement du signal numérique avec du conditionnement radio-fréquence. La dernière génération de l’instrument CONCERTO intègre une carte électronique appelée KID_READOUT, capable de lire les 400 pixels répartis sur une bande passante de 1 GHz. Le traitement du signal, fortement parallélisé et pipeliné est effectué en temps réel, imposé par l’expérience, à l’aide de FPGA.L’objectif de cette thèse est de modéliser la chaîne de lecture KID_READOUT afin de comprendre ses limitations et d’identifier des pistes d’optimisation. Le travail mené a permis d’identifier les principales contraintes de la partie analogique, et d’optimiser les ressources numériques, sans dégrader les performances de lecture du signal. Nous avons ainsi réduit l'utilisation des ressources FPGA de 23,07%pt pour les tables LUT, 19,86%pt pour les registres FF, et 28,98%pt pour les blocs DSP. Ces optimisations permettent désormais de lire jusqu'à 800 MKIDs sur une seule ligne de transmission avec le même FPGA, répondant ainsi aux besoins des prochaines générations d’instruments MKID.