Etude, optimisation fonctionnelle et réalisation de cellules à vapeur alcaline originales pour les références de fréquence atomique miniatures de nouvelle génération

Design, microfabrication and characterization of alkali vapor cells for miniature atomic frequency references

• Auteur / Autrice : Vincent Maurice
• Direction : Christophe Gorecki, Nicolas Passilly, Rodolphe Boudot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 07/07/2016
• Etablissement(s) : Besançon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Jury : Président / Présidente : Serge Galliou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Gorecki, Nicolas Passilly, Rodolphe Boudot, Serge Galliou, Jan A. Dziuban, Noël Dimarcq, Pierre-André Farine, Jean-Marc Lesage
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jan A. Dziuban, Noël Dimarcq
• DOI : 10.70675/e3492811z7e80z4e6bz8366z85b7c690942c

Mots clés

Mots clés contrôlés

Horloges atomiques

Micro-fabrication

Mots clés libres

Horloges atomiques miniatures

Cellules à vapeur alcaline

Microfabrication

Gaz tampon

Revêtements anti-relaxants

Miniature atomic clocks

Alkali vapor cells

Microfabrication

Buffer gas

Antirelaxation coatings

Résumé

Les horloges atomiques miniatures présentent des stabilités de fréquence inégalées avec des volumes de quelquescentimètres cubes et des consommations inférieures à 100mW.Dans cette thèse, les paramètres optimaux concernant la conception et la fabrication des cellules à vapeur decésium, un des composant clés de ce type d’horloges, sont définis. Ainsi, les performances de plusieurs cellulesont été caractérisées en condition d’horloge à court et long terme. En parallèle, des solutions sont proposéespour pallier à certaines limitations telles que la plage de température opérationnelle, le coût de fabrication dudispositif et la facilité d’assemblage du module physique.Un nouveau mélange de gaz tampon composé de néon et d’hélium peut étendre la plage de fonctionnementau-dessus de 80 C, en adéquation avec les besoins industriels. A l’inverse des gaz tampon usuels, ce mélangeest compatible avec les dispensers de césium solides, dont la fiabilité est établie.Outre les gaz tampon, les revêtements permettent également de limiter la relaxation induite par les parois dela cellule. Ici, des revêtements d’octadécyltrichlorosilane sont étudiés. Un effet anti-relaxant a été observé dansdes cellules centimétriques et un procédé a été développé pour revêtir des cellules micro-fabriquées.D’autres sources de césium sont présentées pour s’affranchir des inconvénients propres aux dispensers solides.Un dispenser sous forme de pâte, qui peut être déposée collectivement, a été étudié et montre des densitésatomiques stables jusqu’à présent. Un concept de vannes hermétiques micro-fabriquées a été proposé poursceller hermétiquement et séparer des cellules d’un réservoir de césium commun.Les premières étapes vers un module physique micro-fabriqué sont ensuite présentées. En particulier, un designoriginal de cellule combinant des réseaux de diffraction à une cavité en silicium formée par gravure anisotropea été caractérisé et a montré des contrastes CPT remarquables malgré un volume de cavité réduit, ce qui permettraitde réaliser un module physique particulièrement compact. Enfin, des cellules intégrant des résistanceschauffantes et thermométriques ont été fabriquées et leur compatibilité vis-à-vis du champ magnétique généréa été caractérisée dans un prototype de module physique compact.

Chip-scale atomic clocks (CSACs) provide unprecedented frequency stability within volumes down to a fewcubic centimeters and power consumptions as low as 100mW.In this work, we determine the optimal parameters regarding the design and the fabrication of cesium vaporcells, one of the key components of a CSAC. For this purpose, cells were characterized on both short and longtermperformances in clock setups. In addition, we propose solutions to overcome present limitations includingthe operating temperature range, the device microfabrication cost and the ease of integration of the physicspackage.A novel mixture of buffer-gas composed of neon and helium was found to potentially extend the operating rangeof the device above 80 C, meeting the industrial requirements. Unlike the well-known buffer gas compositions,this mixture is compatible with solid cesium dispensers whose reliability is established. As an alternativeto buffer gases, wall coatings are known to limit the relaxation induced by sidewalls. Here, we investigatedoctadecyltrichlorosilane (OTS) coatings. An anti-relaxation effect has been observed in centimeter-scale cellsand a process was developed to coat microfabricated cells.Other cesium sources have been investigated to overcome the drawbacks imposed by solid cesium dispensers. Apaste-like dispenser, which can be deposited collectively, was explored and has shown stable atomic densities sofar. Single-use zero-leak micro valves were also proposed to hermetically seal and detach cells from a commoncesium reservoir.Eventually, the first steps toward a microfabricated physics package were made. In particular, an originalcell design combining diffraction gratings with an anisotropically etched single-crystalline silicon sidewalls wascharacterized and exhibited remarkable CPT contrasts despite a reduced cavity volume, which could lead to amore compact physics package. Finally, cells with integrated heating and temperature sensing resistors werefabricated and their magnetic field compliance was characterized in a compact physics package prototype.