Projet ANR-11-ASTR-0004 – ISIMAC : SOLUTIONS ET DEFIS POUR UNE VERSION AVANCEE DE LA MICRO-HORLOGE ATOMIQUE
Programme : Accompagnement Spécifique de Travaux de Recherches et d'Innovation Défense (ASTRID)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Christophe GORECKI (UNIVERSITE DE BESANCON [FRANCHE-COMTE])
Partenaires : Franche-Comté Électronique Mécanique Thermique et Optique- Sciences et Technologies; Franche-Comté Électronique Mécanique Thermique et Optique- Sciences et Technologies
Montant : 294800.0 euros
Durée : 36 mois
Résumé : SOLUTIONS ET DEFIS POUR UNE VERSION AVANCEE DE LA MICRO-HORLOGE ATOMIQUELes horloges atomiques permettent l'obtention des meilleures performances en terme de stabilité de fréquence et d'exactitude. Mais le volume et la consommation en puissance des sources atomiques sont généralement conséquentes, empêchant jusqu'à maintenant leur déploiement pour des applications portables et embarquées. Les technologies MEMS sont aujourd’hui adaptées pour la réalisation de références de temps et de fréquence miniatures.
La miniaturisation des horloges atomique est un enjeu stratégique. ISIMAC propose une nouvelle génération de micro-horloges constituant leur première version Européenne.L'objectif d'ISIMAC est de fournir un travail de recherche amont et d'innovation pour la réalisation de micro-horloges atomiques de haute-performance en apportant des contributions premières et innovantes. Ces travaux incluront de la physique amont et fondamentale, le développement d'outils métrologiques  de haute précision mais relèveront aussi des challenges ambitieux d'ingénierie pour la mise en place des systèmes Les horloges atomiques, comparativement aux oscillateurs à quartz, sont des références de fréquence et de temps permettant l'obtention des meilleures performances en termes de stabilité de fréquence et d'exactitude. Néanmoins, le volume et la consommation en puissance des sources atomiques sont généralement conséquents, empêchant jusqu'à maintenant leur déploiement pour des applications portables et embarquées. Les technologies MEMS, rendant possible le développement de systèmes de haute-performance à l'échelle du micron, fournissent déjà aujourd'hui des solutions innovantes pour la réduction du volume et de la puissance de nombreux systèmes touchant à un large panel d'applications incluant les communications sans fil, les capteurs, les systèmes micro-fluidiques. Ces technologies MEMS sont par ailleurs aujourd’hui en position de fournir des avantages similaires pour la réalisation de références de temps et de fréquence miniatures.
Technologies MEMS pour la réalisation de microcellules et la réalisation de sources laser CPT ultra-stable bi-fréquence et bipolarisationLe consortium ISIMAC regroupant les compétences des laboratoires FEMTO-ST et SYRTE a pour ambition de proposer des solutions scientifiques et technologiques innovantes pour améliorer les performances de micro-horloges atomiques de future génération, basées sur le principe de piégeage cohérent de population (CPT). Le premier objectif vise à optimiser la technologie de microfabrication de cellules à vapeur de césium miniatures, focalisant ses efforts sur une architecture nouvelle et originale de cellule dite réflective (R-cell), disposant de matériaux anti-relaxants sur ses parois internes et remplie ou non par une pression de gaz tampon judicieusement établie. Le second objectif vise à développer une source laser modulée innovante permettant d'accroître les performances en stabilité de l'horloge. « R-cell »sera fabriquée et fermée par le biais de techniques de soudure anodique à basse température, non-invasive pour l'intégrité et la sauvegarde du dépôt anti-relaxant. L'architecture R-cell a pour but d'améliorer le contrôle thermique de la cellule, réduire la consommation en puissance de l'horloge ainsi qu'augmenter le temps d'interaction atomes-lumière et donc améliorer les performances en stabilité. Parallèlement, une source laser modulée visant à générer deux raies optiques résonantes à 894 nm, séparées en fréquence de 9.192 GHz (fréquence d'horloge de l'atome de césium) et présentant des polarisations linéaires et orthogonales entre elles sera développée et caractérisée. Cette source laser devrait permettre de générer un schéma de pompage CPT optimisé, maximisant le nombre d'atomes participant à la transition d'horloge et par conséquent améliorant la stabilité de fréquence de l'horloge. La combinaison de ces deux modules a pour objectif le développement d'une horloge atomique CPT compacte présentant une stabilité de fréquence meilleure que 10-10 pour des temps d'intégration allant jusque 1000 s.
Résumé de la soumission : Les horloges atomiques, comparativement aux oscillateurs à quartz, sont des références de fréquence et de temps permettant l'obtention des meilleures performances en terme de stabilité de fréquence et d'exactitude. Néanmoins, le volume et la consommation en puissance des sources atomiques sont généralement conséquentes, empêchant jusqu'à maintenant leur déploiement pour des applications portables et embarquées. Les technologies MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), rendant possible le développement de systèmes de haute-performance à l'échelle du micron, fournissent déjà aujourd'hui des solutions innovantes pour la réduction du volume et de la puissance de nombreux systèmes touchant à un large panel d'applications incluant les communications sans fil, les capteurs, les systèmes micro-fluidiques. Ces technologies MEMS sont par ailleurs aujourd’hui en position de fournir des avantages similaires pour la réalisation de références de temps et de fréquence miniatures.Le consortium ISIMAC regroupant les compétences des laboratoires FEMTO-ST et SYRTE a pour ambition de proposer des solutions scientifiques et technologiques innovantes pour améliorer les performances de micro-horloges atomiques de future génération, basées sur le principe de piégeage cohérent de population (CPT). Le premier objectif vise à optimiser la technologie de microfabrication de cellules à vapeur de césium miniatures, focalisant ses efforts sur une architecture nouvelle et originale de cellule dite réflective (R-cell), disposant de matériaux anti-relaxants sur ses parois internes et remplie ou non par une pression de gaz tampon judicieusement établie. Le second objectif vise à développer une source laser modulée innovante permettant d'accroître les performances en stabilité de l'horloge. « R-cell »sera fabriquée et fermée par le biais de techniques de soudure anodique à basse température, non-invasive pour l'intégrité et la sauvegarde du dépôt anti-relaxant. L'architecture R-cell a pour but d'améliorer le contrôle thermique de la cellule, réduire la consommation en puissance de l'horloge ainsi qu'augmenter le temps d'interaction atomes-lumière et donc améliorer les performances en stabilité. Parallèlement, une source laser modulée visant à générer deux raies optiques résonantes à 894 nm, séparées en fréquence de 9.192 GHz (fréquence d'horloge de l'atome de césium)  et présentant des polarisations linéaires et orthogonales entre elles sera développée et caractérisée. Cette source laser devrait permettre de générer un schéma de pompage CPT optimisé, maximisant le nombre d'atomes participant à la transition d'horloge et par conséquent améliorant la stabilité de fréquence de l'horloge. La combinaison de ces deux modules a pour objectif le développement d'une horloge atomique CPT compacte présentant une stabilité de fréquence meilleure que 10-10 t—1/2 pour des temps d'intégration allant jusque 1000 s. De telles spécifications sont requises dans de nombreuses applications incluant la téléphonie,  la navigation mais aussi des systèmes de défense opérant en milieu hostile et aux contraintes environnementales sévères.L'objectif d'ISIMAC est de fournir un travail de recherche amont et d'innovation pour la réalisation de micro-horloges atomiques de haute-performance en apportant des contributions premières et innovantes. Ces travaux incluront de la physique amont et fondamentale, le développement d'outils métrologiques  de haute précision mais relèveront aussi des challenges ambitieux d'ingénierie pour la mise en place des systèmes MEMS concernés. La contribution de FEMTO-ST concerne les technologies de microfabrication appliquées à la réalisation et au packaging physique des microcellules ainsi que des aspects de métrologie temps-fréquence pour la caractérisation de ces cellules. Le laboratoire SYRTE apportera essentiellement des compétences pour le développement de la source laser, la métrologie temps-fréquence et le test des performances de l'horloge.
Résultats : D'abord nous avons concentré nos efforts sur l'optimisation de l'architecture de la microcellule transmissive.  On a réalisé des dépôts de matériaux anti-relaxants sur ses parois internes de la microcellule remplie ou non par une pression de gaz tampon judicieusement établie. Nous avons aussi avancé la conception et la réalisation de microcellules dite réflectives. Une source laser modulée innovante permettant d'accroître les performances en stabilité de l'horloge est également en développement.
Perspectives : Compte tenu de ses spécifications, la micro-horloge ISIMAC s’appliquera dans de nombreuses applications incluant la téléphonie,  la navigation mais aussi des systèmes de défense opérant en milieu hostile et soumis aux contraintes environnementales sévères.
Publications et brevets : 1.	X. Liu, J. M. Merolla, S. Guérandel, E. De Clercq and R. Boudot, Optics Express 21, 10, 12451 (2013).
2.	X. Liu, J. M. Merolla, S. Guérandel, E. De Clercq, C. Gorecki and R. Boudot, Phys. Rev. A 87, 013416 (2013).
3.	X. Liu and R. Boudot, IEEE Trans. Instr. Meas. 61, 10, 2852 (2012). 
4.	X. Liu, J. M. Merolla, S. Guérandel, E. De Clercq, C. Gorecki and R. Boudot, Continuous and Ramsey spectroscopy of CPT resonances in Cs vapor cells with push-pull optical pumping, IFCS-EFTF, Prague, 22-25 July 2013.
5.	X. Liu, J. M. Merolla, S. Guérandel, E. De Clercq and R. Boudot, Ramsey spectroscopy of high-contrast CPT resonances in Cs vapor cells with push-pull optical pumping, Journée Club Optique-Microonde SFO, Palaiseau, TRT, 20 Juin 2013.
6.	E. Kroemer, V. Giordano and R. Boudot, Measurements of optical frequency shift in sealed Cs vapor cells with He, Xe, IFCS-EFTF, Prague, 22-25 July 2013.
7.	X. Liu, J. M. Merolla, V. Giordano and R. Boudot, Signal à 9.192 GHz faible bruit porté optiquement à 895 nm par modulation électro-optique pour horloge atomique, Journées Nationales Microondes, Paris, 15-17 Mai 2013.