Soutenance mémoire
La seconde est de loin la grandeur physique mesurée et déterminée avec le plus de précision. Les horloges atomiques optiques de dernière génération présentent aujourd’hui des performances exceptionnelles, avec des instabilités relatives de fréquence et des exactitudes relatives dans la gamme de 10⁻¹⁸ voire 10⁻¹⁹ [1], [2], surpassant de plusieurs ordres de grandeur les meilleures références atomiques micro-ondes [3]. Ces instruments de mesure d’une précision inégalée constituent des supports de choix pour des études de physique fondamentale incluant les recherches de violation du principe d’équivalence d’Einstein [4], [5], la recherche de matière noire dans l’Univers [6], la détection d’ondes gravitationnelles [7] ou l’extension de la résolution des interféromètres VLBI (Very Long Baseline Interferometry) [8]. Malgré des efforts importants pour le développement d’horloges optiques transportables [9], [10], ces systèmes exceptionnels demeurent encore aujourd’hui des dispositifs complexes et volumineux, majoritairement utilisés en laboratoire.
Dans le domaine de la physique appliquée, les références de fréquence atomiques ultra-stables et la dissémination de leur signal nourrissent une multitude d’applications incluant le domaine des télécommunications, la navigation ou géolocalisation par satellite, les communications numériques sécurisées, la défense ou l’instrumentation. Pour ces applications, la stabilité relative de fréquence intrinsèque de l’oscillateur combinée à son potentiel d’intégration, d’autonomie, de faible consommation et de coût modeste sont des critères d’une importance capitale.
Principe de base d’une horloge atomique
Une horloge atomique est constituée de trois parties principales que sont :
• Un oscillateur local délivrant un signal d’interrogation à la fréquence ???. L’oscillateur local est différent selon le type d’horloge. Il peut être un oscillateur à quartz ou à résonateur saphir dans le cas d’une horloge atomique micro-onde. Dans le cas d’une horloge atomique optique, l’oscillateur local est un laser.
• Une transition atomique utilisée comme référence de fréquence. Dans l’hypothèse d’un atome non-perturbé, isolé de toutes perturbations externes comme le champ magnétique terrestre ou des interactions avec d’autres particules, ce dernier présente des niveaux d’énergies bien définis. La fréquence de transition ??? entre deux niveaux de cette espèce est connue et est la même pour tous les atomes de la même espèce. En règle générale, la source atomique est diluée limitant ainsi les collisions interatomiques. Aussi, la population d’atomes est généralement préparée dans un état particulier pour maximiser la probabilité de transition entre les deux niveaux d’énergie de la transition d’horloge.
• En soumettant les atomes à un champ électromagnétique de fréquence ??? proche de ???, on obtient une probabilité de transition selon le désaccord ? = 2?(??? − ???). C’est la réponse atomique. Cette réponse peut être détectée de différentes manières, généralement aujourd’hui par voie optique. La réponse atomique est alors exploitée par une électronique d’asservissement délivrant un signal de correction afin que la fréquence de l’oscillateur local ??? reste asservie sur la fréquence de transition atomique ???.
Horloges atomiques compactes de haute-performance
Une multitude d’horloges atomiques existe à travers le monde. Nous nous intéresserons dans notre cas uniquement aux horloges atomiques dites compactes, combinant faible volume, faible consommation et excellente stabilité relative de fréquence. Je parlerai d’abord brièvement des domaines d’applications de ces horloges compactes. Je décrirai ensuite les performances d’horloges compactes commerciales. Je parlerai ensuite d’horloges atomiques haute performance de nouvelle génération, incluant des horloges Rb à double résonance optique-microonde, des horloges atomiques basées sur le phénomène de piégeage cohérent de population (CPT) et des horloges atomiques compactes exploitant les techniques de refroidissement d’atomes par laser. Mentionnons que d’autres types d’horloges atomiques compactes sont développées comme l’horloge à atomes piégés sur puce (TACC : Trapped Atom Clock on a Chip) [37], des horloges compactes à ions [38], [39], [40], ou des horloges optiques transportables [41]. Cependant, en raison de leur principe de fonctionnement plus éloigné de mon champ d’expertise, la description de ces dernières ne sera pas abordée dans de ce manuscrit.
Applications des horloges atomiques compactes
Les horloges atomiques, capables d’émettre un signal de fréquence stable sur des temps longs, sont utilisées pour de nombreuses applications telles que les systèmes de télécommunication, les systèmes de positionnement et de navigation par satellite, la métrologie temps-fréquence, la défense ou l’instrumentation. Ces dernières années, la demande de connexions sans fil (Wifi, 4G, 5G ou fibre optique) toujours plus rapides font du domaine des télécommunications un marché potentiel de grande importance. On assiste à une évolution forte de la demande avec une quantité de données partagées toujours accrue, échangées avec des débits de plus en plus conséquents, faisant appel à des réseaux devant gérer un nombre de plus en plus important d’utilisateurs en simultané, à la mobilité globale et pour un faible coût de service. Les systèmes de télécommunication peuvent être décrits par deux fonctions basiques : la transmission, soit le transfert d’une information d’un point à un autre du réseau et la commutation, soit une affectation dynamique des voies disponibles du réseau. L’information est transportée par des bits issus de différents équipements. Un certain nombre de bits forme un ‘buffer’. Un buffer contient en plus des informations à transporter des informations lui permettant de savoir où aller. Or, ces informations peuvent parfois ‘glisser’. Un ‘glissement’ dans un ‘buffer’ diminue ainsi la performance des services. Les exigences demandées par l’Union Internationale des Télécommunications (International Telecommunication Union ITU) sont d’assurer au maximum un ‘glissement’ tous les 70 jours pour une transmission de 2 Mbit/s. Pour répondre à cette spécification, les différents équipements doivent être synchronisés. Pour cela, des horloges primaires de référence, généralement des horloges atomiques, distribuent aux réseaux leurs stabilités via des liens de synchronisation et des unités d’alimentation de synchronisation (Synchronization Supply Units SSU). Ainsi, chaque équipement de commutation peut synchroniser chaque buffer entrant et les commuter sur les bonnes sorties sans glissement. Les systèmes de positionnement sont une autre application importante pour les horloges ultra-stables. Le principe des systèmes de positionnement par satellites (GPS, GLONAS, GALILEO, BEIDU) est de mesurer la différence de temps entre deux évènements : le temps d’arrivée de l’onde électromagnétique venant du satellite et sa date d’envoi. Le signal voyageant à la vitesse de la lumière, la distance entre le satellite et le récepteur est le produit entre la durée du parcours du signal et sa vitesse. Il faut donc trois satellites pour situer un récepteur dans l’espace et un quatrième pour la synchronisation entre les satellites. La vitesse de la lumière étant une constante fondamentale, la précision de la distance récepteur/satellite dépend seulement de la précision de la mesure de la différence entre la date d’envoi et celle d’arrivée de l’onde. En réalité, des phénomènes relativistes, dus à la grande vitesse des satellites et la différence entre les champs gravitationnels terrestres et dans l’espace ainsi que les variations d’indice optique durant le trajet de l’onde sont à prendre en compte. Une erreur d’une microseconde sur l’estimation du temps de propagation de l’onde induit une erreur de 300 mètres sur la position. Ces systèmes de positionnement ont donc besoin de références de fréquence compactes, à faible consommation d’énergie, peu complexes et avec une forte robustesse et fiabilité. Les horloges atomiques compactes sont une bonne réponse à ces exigences. Ainsi, le développement d’horloges atomiques compactes de nouvelle génération, aux performances accrues, permettrait de grandes avancées dans ces domaines.
On trouve aussi des applications aux horloges atomiques dans l’étude des astres célestes et de la rotation de la terre avec l’interférométrie à très longue base (VLBI : Very Long Baseline Interferometry) [42]. Les horloges atomiques permettent aussi l’amélioration des recherches sous-marines pour l’exploration pétrolifère ou des couches de gaz [43], ou encore de la sécurisation des transferts de données, incluant la cryptographie quantique [44], [45].
La « précision » des horloges atomiques a aussi permis de redéfinir certaines variables physiques et de mettre à l’épreuve des lois générales de la physique [46], [47]. La seconde est de loin l’unité de base du SI définie avec le plus de précision. Cette précision de mesure est aussi utilisée pour développer des expériences de physique permettant de déterminer avec des incertitudes toujours plus petites la valeur des constantes fondamentales, telles que la constante de structure fine [48], la constante gravitationnelle ? [49], [50], ou le rapport de masse proton/électron [5], [51].
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Table des matières
Introduction
Chapitre I Horloges Atomiques Compactes
I.1 Principe de base d’une horloge atomique
I.2 Outils de caractérisation
I.2.1 Généralités
I.2.2 Domaine Temporel
I.2.3 Domaine Fréquentiel
I.2.4 Stabilité de fréquence d’une horloge atomique
I.3 Horloges atomiques compactes de haute-performance
I.3.1 Introduction
I.3.2 Applications des horloges atomiques compactes
I.3.3 Horloges atomiques compactes commerciales
I.3.4 Horloges atomiques compactes de nouvelle génération
I.3.5 Résumé
Chapitre II Physique de base des horloges CPT
II.1 Le phénomène CPT
II.1.1 Description du principe physique CPT
II.1.2 Résonance CPT
II.1.3 Sources de bruit, déplacements de fréquence de la transition d’horloge et déplacement et élargissement des transitions optiques
II.2 Schémas de pompage CPT optimisés
II.2.1 Schémas de pompage CPT double-Λ
II.2.2 Résumé
II.3 Conclusion
Chapitre III Banc expérimental
III.1 Description générale
III.2 Système Laser
III.3 Modulateur électro-optique (EOM)
III.4 Stabilisation de la fréquence laser
III.5 Modulateur acousto-optique (AOM)
III.6 Oscillateur local, synthèse de fréquence micro-onde et électronique de contrôle
III.6.1 Synthèse de fréquence NLTL et électronique de contrôle
III.6.2 Synthèse de fréquence et électronique de contrôle Mclocks
III.7 Schéma de pompage Push-Pull Optical Pumping
III.8 Cellule CPT et module physique
III.9 Isolation passive en température de l’expérience
III.10 Conclusions
Chapitre IV Horloge atomique CPT avec protocole d’interrogation Auto-Balanced Ramsey
IV.1 Interrogation Ramsey
IV.1.1 Rappel du principe de résonance magnétique
IV.1.2 Interrogation de Rabi
IV.1.3 Interrogation de Ramsey
IV.2 Déplacements lumineux
IV.2.1 Déplacements lumineux en régime continu
IV.2.2 Déplacements lumineux en régime Ramsey-CPT
IV.3 Horloge Ramsey-CPT à FEMTO-ST
IV.3.1 Présentation de l’horloge et de la séquence Ramsey-CPT
IV.3.2 Stabilité de fréquence court-terme de l’horloge Ramsey-CPT
IV.3.3 Stabilité de fréquence moyen-terme de l’horloge Ramsey-CPT
IV.4 Auto-Balanced Ramsey
IV.4.1 Introduction
IV.4.2 Auto-Balanced Ramsey : concept et principe de base
IV.4.3 Application du protocole d’interrogation ABR à une horloge CPT : théorie
IV.4.4 Horloge Auto-Balanced Ramsey-CPT (ABR-CPT)
IV.4.5 Tests en mode ABR-CPT et mise en évidence d’un offset sur la boucle de phase ABR
IV.5 Horloge CPT avec protocole Auto-Balanced Ramsey symétrique (SABR-CPT)
IV.5.1 Protocole d’interrogation SABR-CPT
IV.5.2 Optimisation de la stabilité court terme : nouveaux signaux d’erreur et
compensation du bruit AM laser
IV.5.3 Résultats expérimentaux
IV.5.4 Limitations de la stabilité de fréquence moyen terme de l’horloge SABR-CPT
IV.6 Conclusions
Conclusion
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