Module physique intégré pour horloge atomique miniature à cellule de césium

Integrated physics package for chip scale atomic clock with cesium microcell

• Auteur / Autrice : Rémy Vicarini
• Direction : Serge Galliou, Rodolphe Boudot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 30/05/2018
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : François Vernotte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Serge Galliou, Rodolphe Boudot, François Vernotte, Stéphane Guérandel, Fetah Benabid, Luca Ribetto, Jean-Marc Lesage, Olivier Llopis
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stéphane Guérandel, Fetah Benabid

Mots clés

Mots clés contrôlés

Micro-fabrication

Horloges atomiques

Mots clés libres

Horloge atomique miniature

Module physique

Microfabrication

Piégeage cohérent de population

Microcellule

Chip scale atomic clock

Physics package

Microfabrication

Coherent population trapping

Microcell

Résumé

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 solénoide 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 100-1000s) 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).

The combination of coherent population trapping (CPT) physics, microfabrication techniques and semi-conductor diode lasers has allowed the development of miniature atomic clocks exhibiting a fractional frequency stability at 1 day averaging time up to 2 orders of magnitude better than massively-used quartz-crystal oscillators for a similar volume and power consumption. These miniature atomic clocks associate a fully-miniaturized physics package and an electronics card that drives the clock.This thesis, supervised by FEMTO-ST and Tronics Microsystems and actively supported by DGA in the frame of projects DGA HABAC and DGA EDAM, targeted to the design, thermal and magnetic simulation, development and metrological characterization in clock operation of fully-miniaturized physics packages. These physics packages have to respond to constraints and specifications of an industrial miniature atomic clock for strategic applications. Two designs of physics package have been proposed, the main difference between them being the optical path.The physics package integrates a VCSEL (vertical-cavity surface emitting laser) diode laser, optical components to route and polarize the laser beam, a buffer-gas filled Cs vapor microfabricated cell (developed in FEMTO-ST and industrially transferred to Tronics Microsystems), a photodetector and several sensors/actuators to stabilize the temperature of key elements. The ensemble is inserted into a 15*15*13 mm3 « cube », surrounded by a solenoid to apply a static magnetic field and a mu-metal magnetic shielding. The power consumption of the physics package is about 250 mW in the steady-state at room temperature.Physics packages have been tested in clock operation with a non-integrated laboratory-prototype electronics support. State-of-the-art clock fractional frequency stability performances at the level of 2.5 10-11 and 2 10-11 at 1 and 105 s averaging time respectively have been demonstrated in a quiet environment. In order to demonstrate best mid-term stability performances, advanced techniques have been implemented through two additional servo loops, aiming to reduce dramatically temperature-induced light-shift effects. Studies targeting to evaluate the stability of the microcell inner atmosphere, possibly limited by gas permeation effects through the cell windows, have been also performed. In that sense, preliminary “aging” tests, performed over 15-21 days measurements, have been investigated with different microcells, adopting borofloat glass or alumino-silicate glass (ASG). In the case of Cs-Ne microcells, this phenomenon is measured and estimated to limit the clock fractional frequency stability at a level o about 10-11 at 1 day. Other tests, led with Cs-He cells, have demonstrated a significant reduction by almost 2 orders of magnitude of these leakage phenomena using ASG wafers.