La combinaison du phénomène physique de piégeage cohérent de population (CPT), les techniques de micro-fabrication et les diodes laser à semi-conducteur permet le développement de micro-horloges atomiques présentant une stabilité relative de fréquence journalière 2 ordres de grandeur meilleure que celle des oscillateurs à quartz massivement utilisés pour un volume et une puissance de consommation similaires. Ces micro-horloges atomiques reposent sur l’interaction entre un module physique et une carte électronique pilotant l’horloge.

Ce travail de thèse, co-encadré par le laboratoire FEMTO-ST et l’industriel Tronics Microsystems, soutenue activement par la DGA dans le cadre des projets DGA HABAC puis DGA EDAM, a eu pour but la conception, simulation thermique et magnétique, réalisation et caractérisation métrologique en horloge de modules physiques hautement miniaturisés, répondant aux contraintes et spécifications d’une micro-horloge industrielle pour applications stratégiques. Deux concepts de modules physiques ont été proposés, la différence essentielle étant le chemin lumineux.

Le module physique intègre une diode laser VCSEL (vertical-cavity surface emitting laser), des éléments optiques pour le routage et la polarisation du faisceau lumineux, une microcellule à vapeur de césium diluée par une pression de gaz tampon (développée à FEMTO-ST et transférée industriellement à Tronics Microsystems), un photodétecteur et divers capteurs/actuateurs pour stabiliser la température d’éléments-clés. L’ensemble est inséré dans un cube de dimensions extérieures 15×15×13 cm³, lui-même entouré d’un solénoïde pour appliquer un champ magnétique directeur et un blindage magnétique mu-métal. La consommation de ces modules physiques en régime permanent est de l’ordre de 250 mW à température ambiante.

Ces modules physiques ont été testés à l’aide d’une électronique de laboratoire non intégrée. Des performances de stabilité relative de fréquence proches de l’état de l’art mondial, de l’ordre de 2,5×10^-11 à 1 s et meilleures que 2×10^-11 à 10⁵ s, ont été démontrées en environnement calme. Pour l’aboutissement des performances ultimes sur la stabilité de fréquence d’horloge moyen et long terme (temps d’intégration supérieurs à 100-1 000 s) ont été mises en œuvre des techniques avancées, par le biais de deux boucles d’asservissement supplémentaires, visant à réduire drastiquement les effets de déplacement lumineux, eux-mêmes largement dépendants de la température extérieure et du bloc optique. Ces études ont aussi été associées à l’étude de la stabilité de l’atmosphère interne de microcellules, potentiellement limitée par des phénomènes de perméation de gaz tampon à travers le verre de la cellule. En ce sens, des tests de « vieillissement » préliminaires, menées sur 15-21 jours, ont été menés sur plusieurs microcellules, adoptant soit des verres de type borofloat, soit des verres de type alumino-sicilicaté (ASG). Dans le cas de microcellules Cs-Ne, ce phénomène de fuite est estimé pouvoir limiter la stabilité des micro-horloges atomiques à un niveau proche de 10^-11 à 1 jour. Des tests, menés sur des cellules Cs-He, démontrent une réduction significative de presque 2 ordres de grandeur de ces phénomènes de fuite avec l’utilisation de verres alumino-silicatés (ASG).

horloge atomique miniature, module physique, microfabrication, piégeage cohérent de population, microcellule,

Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse ont consisté en la réalisation d'un système de détection non destructif assisté par cavité d'atomes piégés sur réseau optique pour l'amélioration de la stabilité d'une horloge optique au strontium. La caractérisation de ce système dans son fonctionnement en régime classique, dans lequel les atomes piégés diffusent suffisamment peu de photons pour ne pas être expulsés du piège durant la détection, a mis en évidence des améliorations significatives en termes de rapport signal à bruit avec un gain d'un facteur cent en comparaison avec le système précédent de détection par fluorescence. Les gains en termes de stabilité par réduction de l'effet Dick restent cependant à concrétiser.

Pour la réalisation du régime quantique, dans lequel moins d'un photon est diffusé par atome durant la détection, des idées nouvelles et des changements significatifs ont dû être opérés sur le système et un travail théorique conséquent a été entrepris afin de déterminer la stratégie permettant une amélioration de la stabilité par réduction du bruit de projection quantique par mesure sans démolition de la cohérence de l'état interne atomique.

J'y ai également abordé l'étude des effets des collisions chaudes des atomes de strontium piégés avec les particules du fond de vide résiduel, permettant une amélioration de l'exactitude de l'horloge. Cette thèse rapporte en particulier la première mesure expérimentale du déplacement de la fréquence de transition d'horloge due à ces collisions ainsi que son étude théorique.

horloge à strontium, détection non destructive, métrologie du temps, horloge atomique, physique atomique

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Ce travail de thèse, encadré par le laboratoire FEMTO-ST et co-financé par le CNES et la région Franche-Comté, a eu pour but la réalisation de banc de mesure de bruit de phase couvrant trois décades de fréquences, entre 5 MHz et 5 GHz, ainsi que la mesure du bruit de résonateurs MEMS.

Le bruit de phase des composants radiofréquences et hyperfréquences est une problématique classique du domaine métrologique "temps-fréquence". Pourtant, certains mécanismes à l’origine de la génération de ce bruit sont encore mal connus, voire même controversés. C’est le cas du bruit propre des résonateurs piézoélectriques ou mécaniques. Or, lorsque l’électronique amplificatrice du circuit oscillant est très optimisée, le bruit de ces composants représente le bruit ultime de la source de fréquence. Il est donc essentiel de l’étudier en détail.

Le travail de cette thèse traite ce problème principalement sous l’angle métrologique. Une grande partie de ce travail a consisté à développer et à améliorer des bancs de mesure de bruit de phase, capables de rendre compte du comportement de ces composants. Deux bancs de mesures basés sur la technique interférométrique ont été réalisés et ont permis de mesurer des dispositifs entre 5 MHz et 5 GHz. Parmi les résonateurs MEMS mesurés, se trouvent des résonateurs à ondes de surface (SAW), des résonateurs à mode de contour (CMR) et des résonateurs à ondes de volume à mode harmoniques élevés (HBAR).

Pour le cas où il n’est pas possible de tester simultanément deux résonateurs identiques, l'utilisation de sources à très faible bruit de phase est nécessaire, comme les oscillateurs saphir cryogéniques disponibles au sein du département TF. Le problème de ces sources est qu’elles délivrent un signal en gamme micro-onde et que leur utilisation en gamme RF nécessite une électronique de division de fréquence optimisée en bruit. Ainsi, une partie de ces travaux de thèse est consacrée à la synthèse de fréquence à faible bruit de phase, plus particulièrement à la réalisation et à la caractérisation de diviseurs régénératifs de fréquence d’ordre entiers ou fractionnaires. Des diviseurs à l'état de l'art ont été réalisés pour une fréquence de 20 MHz et une architecture de diviseur à double boucle a été proposée puis investiguée afin de présenter des ratios de division fractionnaires.

Ce travail de recherche effectué dans le cadre d’un contrat CIFRE-Défense porte sur l’étude des sources d’instabilité de fréquence d’une horloge atomique basée sur le piégeage cohérent de population. L’objectif est de démontrer une stabilité de fréquence d’horloge de l’ordre de 10^-13τ^-1/2 jusque 10⁴ s. Une cellule de vapeur de césium est utilisée avec un schéma d’excitation à fort contraste en utilisant des polarisations linéaires croisées et une interrogation impulsionnelle de type Ramsey. Une première partie d’abord consacrée aux sources de bruit à court terme présente les travaux réalisés pour réduire le bruit de phase et le bruit de puissance laser, limitant tous deux les performances de l’horloge à 1 s d’intégration. L’optimisation de la chaine micro-onde avec un nouvel oscillateur local, et la réalisation d’un asservissement de puissance performant ont permis d’améliorer la stabilité de fréquence à 2,3×10^-13 à 1 s. L’analyse des fluctuations des paramètres de fonctionnement (puissance laser, champ magnétique, température, etc.) et la mesure de la fréquence d’horloge montrent que les variations de fréquence à moyen terme sont majoritairement limitées par les variations de puissance laser et celles du champ magnétique à 2×10^-14 à 2 000 s. Ces analyses démontrent aussi que les fluctuations de puissance laser, malgré l’asservissement, sont liées aux fluctuations de polarisation via les fluctuations de température de l’expérience. Pour finir, des études d’un laser bifréquence et bipolarisation pour une horloge CPT compacte sont présentées, ouvrant la voie vers l’industrialisation en réduisant le banc optique.

Horloge atomique, Cellule de vapeur, Piégeage cohérent de population, Effet Dick, Bruit d'intensité, Stabilité de fréquence

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Les travaux décrits dans cette thèse ont pour but de conduire à la réalisation de capteurs et de filtres à ondes élastiques de surface (SAW) innovants, passifs et sans fil, dédiés à une utilisation en environnement sévère. Différentes structures de composants SAW sont alors étudiées.

Les caractéristiques générales, telles que les pertes d’insertion ou les bandes passantes relatives atteignables, des structures usuelles (résonateurs, lignes à retard, LCRF, filtres en échelle…) sont connues des experts du domaine. Cependant, pour concevoir un dispositif SAW qui respecte les critères d’un cahier des charges donné, il est impératif de définir le comportement spécifique de chaque dispositif avant son envoi en production. Pour ce faire, des modèles numériques sont développés, qui incluent à la fois la possibilité d’analyser le comportement de systèmes à la géométrie complexe (filtres en échelles, transducteurs apodisés) et qui prennent en compte la présence de phénomènes perturbateurs (modes transverses, pertes liées à la nature des matériaux). La comparaison entre les calculs numériques et les mesures a mis en avant l’adéquation des résultats expérimentaux et de calculs.

La mise en place de ces outils permet le développement de capteurs et filtres SAW innovants grâce à une analyse numérique rapide et fiable de leur comportement. Ainsi, l’étude de résonateurs et capteurs dédiés à une utilisation à des températures excédant les 700°C est menée. Il est démontré qu’en dépit de son inhomogénéité, le Ba₂TiSi₂O₈ est un matériau adapté à la réalisation de SAW soumis à des températures élevées pour des fréquences de l’ordre de 300 MHz jusqu’au gigahertz. Par ailleurs, une structure disposant d’un transducteur à trois doigts par longueur d’ondes est utilisée dans le but de réaliser des résonateurs insensibles aux effets de la directivité lorsque la température évolue. Cette même configuration a mis en exergue la possibilité de réaliser des capteurs n’utilisant qu’un seul résonateur (contre au moins deux jusqu’à présent). Ce dernier point permet de limiter l’encombrement des composants et résout la problématique du vieillissement différentiel des structures.

Un second type de capteurs, passifs et sans fil, fondés sur l’utilisation d’un seul SAW et dédiés à la mesure d’hygrométrie, a été étudié. Dans cette nouvelle configuration, un SAW de type LCRF est utilisé comme transpondeur et la zone sensible est externalisée. La sensibilité des modes (de plus de 1 MHz) à la variation d’un élément capacitif ou d’une antenne dipôle a été mise en avant numériquement. En pratique, la fabrication des dispositifs a montré une variation différentielle de plusieurs dizaines de kilohertz des résonances selon la condition électrique appliquée à l’un des ports. Finalement, des filtres, dédiés aux applications stratégiques, agiles en fréquence sont réalisés.

Ces travaux mettent en lumière les capacités de prédiction du comportement des structures SAW grâce au développement de logiciels dédiés. De plus, l’étude et la réalisation de filtres et capteurs innovants ouvre la voie à de nouvelles fonctionnalités.

ondes élastiques de surface, filtrage, radio-fréquence, capteurs, passif, sans fil, ondes élastiques, technologie

Cette thèse présente deux tests d'invariance de Lorentz, réalisés dans le cadre de l'Extension du Modèle Standard (SME). Le premier a pour objectif une recherche de violation dans le secteur SME de la matière, grâce aux données d'une horloge à atomes froids de césium 133. La recherche de variations de la fréquence de transition hyperfine de cet atome a permis de contraindre plusieurs coefficients SME liés aux protons et aux neutrons, avec une sensibilité améliorant jusqu'à 12 ordres de grandeur les limites actuelles sur ces derniers. Le second test a été réalisé grâce aux données de la mission spatiale MICROSCOPE, en vol depuis le 25 avril 2016, qui a pour but de tester le Principe d'Équivalence faible avec une précision de l’ordre de 10⁻¹⁵ sur le paramètre d'Eötvös. Nous avons utilisé les mesures MICROSCOPE pour contraindre des violations d'invariance de Lorentz dues à un couplage entre matière et gravitation, en recherchant des variations de l'accélération relative de deux masses d'épreuve selon l'orientation de l'axe sensible de l'instrument, un double accéléromètre électrostatique. Les premiers résultats, obtenus grâce à l'analyse de cinq sessions de mesures, ont déjà démontré une amélioration jusqu'à 4 ordres de grandeur des contraintes sur deux coefficients du secteur SME de la matière couplée à la gravitation.

symétrie de Lorentz, extension du Modèle standard, analyse de données, tests de gravitation, horloge atomique, mission MICROSCOPE, physique fondamentale

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Les capteurs inertiels basés sur l’interférométrie atomique reposent sur l’utilisation d’atomes froids refroidis à des températures proches du microkelvin et des temps d’interrogation de plusieurs centaines de millisecondes. Ces conditions conduisent à une extension du nuage d’atomes de l’ordre du cm, qui rend difficile leur interrogation efficace par des lasers à profil d’intensité gaussien. Cette thèse vise à développer plusieurs moyens de palier aux contraintes posés par le profil gaussien des lasers et leur intensité limitée. Deux axes principaux sont explorés.

D'une part, l'inhomogénéité d'intensité des faisceaux d'interrogation a été adressée par l'étude, la réalisation et la caractérisation de solutions de mise en forme de faisceaux. Un modulateur spatial de phase a notamment été utilisé pour réaliser un faisceau plat en intensité et en phase de 3 cm de diamètre. Une solution commerciale mise en vente durant la thèse a finalement été adaptée à une expérience d’interférométrie atomique, et son impact a été caractérisé.

D’autre part, l’utilisation actuelle de lasers gaussiens de diamètres centimétriques pour adresser un maximum d’atomes apporte des contraintes sur les puissances utilisées. L’idée de profiter du gain en puissance de cavités optiques émerge dans le domaine et constitue le cœur de ce travail. Plusieurs concepts de résonateurs optiques ont été étudiés pour permettre l’amplification d’un mode de grande taille dans une géométrie compacte. Nous avons réalisé un résonateur dégénéré, intégrant une lentille intra-cavité, et avons étudié l’influence de ses désalignements et des défauts des optiques sur la résonance de grands faisceaux injectés.

Ces deux dispositifs et leur couplage ouvrent la voie vers des générations avancées d’interféromètres atomiques, pour des expériences de précision en physique fondamentale ou pour la mise au point de capteurs inertiels à atomes froids compacts.

interférométrie atomique, cavités optiques, physique atomique, optique

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L’objectif de cette thèse est de développer une approche de transfert de temps et de fréquence multi- utilisateurs, compatible avec les réseaux de télécommunications et compétitive avec la distribution de temps par GNSS. Nous nous intéressons donc aux méthodes pour les réseaux à commutation par paquets, comme le NTP (Network Time Protocol) et le PTP (Precision Timing Protocol). Nous nous concentrons également sur les liaisons « unidirectionnelles », où les signaux aller et retour entre les nœuds de réseau se propagent sur des fibres distinctes, non au sein d’une même fibre (liaisons « bidirectionnelles »). En particulier, nous utilisons une méthode appelée White Rabbit PTP (WR). Développée au CERN, basée sur PTP, utilisant l’Ethernet synchrone et d’autres techniques pour atteindre des performances élevées, WR réalise une stabilité du temps sous- nanoseconde pour la synchronisation d’instruments sur des réseaux à l’échelle de 10 km. Nous sommes particulière- ment intéressés par l’extension de cette méthode pour la distribution de références au niveau régional ou national, sur des liaisons allant jusqu’à 1 000 km. Nous étudions d’abord les performances de l’équipement réseau White Rabbit, en particulier le commutateur White Rabbit. Nous y apportons diverses améliorations : sur le verrouillage du commutateur grand maître à la référence externe, améliorant ainsi sa stabilité à court terme de plus d’un ordre de grandeur ; sur la bande passante de verrouillage du commutateur esclave ; et en augmentant le débit des messages PTP entre les commutateurs maître et esclave. Nous étudions ensuite les liaisons WR moyennes et longues distances. Nous construisons un lien unidirectionnel de 100 km en utilisant des bobines de fibres dans le laboratoire. Nous découvrons que la performance à court terme est limitée par la dispersion chromatique de la fibre, tandis que la performance à long terme est dé- gradée par le bruit thermique. Pour limiter l’effet de la dispersion chromatique sur les liaisons longue distance, nous pro- posons l’utilisation d’une approche en cascade. Nous réalisons un lien en cascade de 500 km, à nouveau avec des bobines de fibres. Nous utilisons le multiplexage en longueur d’onde dense pour construire ce lien par des passages multiples à travers des bobines plus courtes. Nous obtenons une stabilité de transfert de fréquence de 2×10⁻¹² à une seconde de temps d’intégration et de 4×10⁻¹⁵ en un jour, limitée par le bruit thermique à long terme. Nous obtenons une stabilité temporelle de 5 ps à une seconde de temps d’intégration, diminuant jusqu’à un minimum de 1,2 ps à 20 s et restant inférieure à une nanoseconde pour des durées plus longues. Ces performances sont similaires à court terme, et deux ordres de grandeur meilleures à long terme, qu’un récepteur GPS de bonne qualité. Nous nous attendons à ce que les fluctuations thermiques et donc l’effet du bruit thermique des fibres soient réduits d’un facteur d’environ cinq pour les installations sur le terrain. Enfin, nous faisons des études préliminaires sur l’étalonnage en temps des liaisons WR. Le principal défi est de mesurer l’asymétrie de longueur optique entre les deux fibres utilisées pour le transfert des signaux aller et retour. Nous démontrons une technique d’échange de fibres, en utilisant une liaison suburbaine White Rabbit sur fibre noire. Nous décrivons et testons ensuite une nouvelle méthode différentielle pour l’étalonnage, impliquant une méthode de mesure différentielle basée sur l’exploitation de deux liaisons WR à différentes longueurs d’onde sur la même liaison.

diffusion à long terme du temps et des fréquences, white rabbit PTP, liens de fibre optique

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Cette thèse décrit une horloge atomique à cellule de césium de haute-performance basée sur le phénomène de piégeage cohérent de population (CPT). Cette horloge associe les éléments suivants : une diode laser DFB (à 895 nm, raie D₁ du césium), un modulateur électro-optique fibré, un modulateur acousto-optique, un système Michelson, une électronique bas bruit contrôlée par une carte FPGA et une cellule à vapeur de césium contenant un mélange de gaz tampon azote-argon. L’horloge exploite un schéma de pompage CPT optimisé nommé push-pull optical pumping (PPOP) permettant la détection de résonances CPT à fort contraste.

L’horloge repose sur l’exploitation d’un nouveau protocole d’interrogation pulsé nommé Auto-Balanced Ramsey (ABR). Ce dernier repose sur l’utilisation de deux séquences Ramsey avec des temps noirs de durées différentes.

La mise en place de ce protocole ABR-CPT, amélioré par la suite avec symétrisation (SABR-CPT), conduit à une réduction drastique des effets de déplacement lumineux, avec en particulier une diminution de la sensibilité de la fréquence d’horloge aux variations de puissance laser par un facteur 80 comparativement à une interrogation Ramsey-CPT conventionnelle. Cette horloge CPT démontre à ce jour une stabilité relative de fréquence de 2×10^-13 τ^-1/2, atteignant le niveau record (pour ce type d’horloge) de 2,5×10^-15 à 10⁴ s.

Des travaux annexes de spectroscopie laser en microcellules à vapeur de césium sont aussi reportés dans ce manuscrit. On notera en particulier la démonstration d’un laser stabilisé par spectroscopie sub-Doppler bi-fréquence dans une microcellule Cs avec une stabilité de fréquence préliminaire meilleure que 2×10^-12 à 1 s. Ces performances sont 10 fois meilleures que celles de micro-horloges atomiques micro-ondes CPT.

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Depuis plusieurs années, le département Temps-Fréquence de l’institut FEMTO-ST mène une étude sur le comportement des résonateurs à ondes acoustiques de volume à énergie piégée dans des cristaux à quartz à température cryogénique, typiquement proche de 4 K. Les performances en termes de coefficient de qualité mécanique relevé à ces températures, plusieurs milliards à quelques dizaines de MHz, font des cavités acoustiques en quartz de bons candidats pour des sources de fréquences cryogéniques ultrastables.

Les travaux présentés dans ce manuscrit s’inscrivent dans la continuité de ce programme d’étude. Ils visent à consolider l’intérêt du quartz mais aussi à envisager des solutions alternatives à base de matériaux à très faibles pertes acoustiques mais non piézoélectriques pour lesquels l’excitation optique est une alternative crédible. Les présents travaux peuvent être résumés en trois parties majeures :

– La première partie a été réalisée dans le but de déterminer une coupe de quartz possédant un point d’inversion sur sa caractéristique fréquence-température aux températures cryogéniques. La seule régulation de température du résonateur d’une source de fréquence ultrastable est en effet insuffisante sans l’existence d’un tel point qui doit servir de point de fonctionnement à la régulation thermique. La recherche d’une coupe compensée a nécessité une campagne préliminaire de mesure des coefficients de température des coefficients élastiques du matériau, inconnus à basses températures. Il a alors été possible, à partir de la connaissance de ces coefficients, d’identifier par le calcul puis de réaliser une coupe remplissant les conditions recherchées.

– La seconde partie a pour objectif de faire la preuve de concept consistant à utiliser une cavité acoustique en quartz en cavité optique. Dans sa version de base, le résonateur à quartz à onde de volume piégée est plan-convexe (pour assurer le piégeage) et à électrodes (métalliques pour assurer l’excitation électrique !) déposées sur chacune de ses faces. Il est démontré, théoriquement et expérimentalement, qu’une telle géométrie fonctionne en cavité optique, avec son avantage de simplicité mais avec ses limites. Cette structure de base doit être mise à profit pour le couplage optomécanique abordé en troisième partie et constitue le socle de conception de dispositifs optomécaniques plus performants.

– La troisième partie est consacrée à l’évaluation de la pertinence du couplage optomécanique de tels dispositifs fonctionnant à température cryogénique. Une étude portant sur la quantification théorique du couplage optomécanique que peut atteindre une telle cavité a été réalisée.

La concrétisation d’une cavité optomécanique permettra de s’affranchir des contraintes matérielles imposées par l’utilisation d’un cryoréfrigérateur et ouvrira la voie aux perspectives d’études de matériaux non-piézoélectriques possédant de très faibles pertes mécaniques, similaires voire inférieures à celles du quartz.

Ce type d’expérimentations répond également à des besoins exprimés par d’autres équipes de recherche travaillant sur l’optomécanique quantique ou les systèmes hybrides quantiques (LKB, UWA, …) avec lesquels des collaborations sont en cours.