Brevet FR3079630A1 — publié le 20191004

Micro-horloge atomique et procédé correspondant de modulation d'une intensité lumineuse d'une source laser comprise dans une micro-horloge atomique. 1. DOMAINE TECHNIQUE Le domaine de l'invention est celui des références de temps, en particulier celui des micro-horloges atomiques à microcellule de vapeur alcaline utilisant le piégeage cohérent de population (CPT, pour « coherent population trapping » en anglais). Ce type de micro-horloge atomique est décrit, par exemple, dans les articles suivants : - - S.Knappe et al. "A microfabricated atomic dock", Appl.Phys. Lett., vol. 85, no. 9, pp. 1460-1462,2004 ; - Boudot et al "High-Performance Frequency Stability Compact CPT Clock Based on a Cs-Ne Microcell" IEEE UFFC, vol59, n11, nov2012 ; - J. Vanier, "Atomic docks based on coherent population trapping: A review" , Appl. Phys. B, vol. 81, no. 4, pp. 421-442,2005. Plus précisément, l'invention concerne un procédé de modulation d'une intensité lumineuse d'une source laser comprise dans une micro-horloge atomique utilisant le piégeage cohérent de population. Comme détaillé ci-après, cette modulation de l'intensité lumineuse participe à un système d'amélioration d'une stabilité de fréquence long-terme de la micro-horloge atomique. L'invention concerne également une micro-horloge atomique mettant en oeuvre un tel procédé. 2. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE Cette modulation de l'intensité lumineuse constitue une brique essentielle d'un système plus large, permettant d'annuler un effet parasite important de la micro-horloge atomique qui dégrade sa stabilité de fréquence long-terme. L'intérêt de la modulation de l'intensité lumineuse est d'améliorer la stabilité de fréquence de la micro-horloge atomique pour des durées d'intégration au cours desquelles elle subit des effets parasites lents tels que les variations thermiques. 2 Le principe de cette technique a été décrit dans l'article suivant : Shah et al "Active light shift stabilization in modulated CPT docks", International Frequency Control Symposium and Exposition, 2006 IEEE. A la connaissance des inventeurs, la technique décrite dans cet article est la seule 5 utilisée à ce jour. Comme décrit par la suite, en relation avec la figure 1, elle consiste à ajouter un composant dans la micro-horloge atomique pour réaliser la modulation de l'intensité lumineuse. Ce composant est un atténuateur optique variable. Il est positionné sur le chemin optique, entre la source laser et la microcellule de vapeur alcaline. Pour moduler le déplacement lumineux, un signal modulant d'amplitude AV est envoyé sur la 10 commande de l'atténuateur optique variable, celui-ci génère une modulation d'intensité lumineuse LII qui entre dans la microcellule de vapeur alcaline ON -> AI). Un inconvénient de cette technique connue est que l'utilisation d'un atténuateur optique variable est contraignante. En effet, il s'agit d'un composant supplémentaire qui nécessite des modifications de la structure mécanique et électronique de la micro- 15 horloge atomique, et engendre donc une complexification de l'architecture opto- mécanique de celle-ci. L'intégration d'un atténuateur optique variable ajoute donc des étapes au processus de fabrication et de caractérisation de la micro-horloge atomique. 3. OBJECTIFS 20 L'invention, dans au moins un mode de réalisation, a notamment pour objectif de pallier ces différents inconvénients de l'état de la technique. Plus précisément, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un objectif est de fournir une technique (procédé et micro-horloge atomique le mettant en oeuvre) permettant de réaliser la modulation de l'intensité lumineuse d'une source laser 25 dans une micro-horloge atomique, sans utiliser d'atténuateur optique variable d'intensité lumineuse. Au moins un mode de réalisation de l'invention a également pour objectif de fournir une telle technique qui soit simple à mettre en oeuvre et peu coûteuse. 30 4. RÉSUMÉ 3 Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, il est proposé une micro-horloge atomique comprenant : - une source laser, possédant une température, une fréquence optique et une intensité lumineuse ; 5 - une microcellule de vapeur alcaline utilisant le piégeage cohérent de population ; - une boucle d'asservissement en température, configurée pour asservir la température de la source laser à une consigne de température, en agissant sur un dispositif de chauffage de la source laser ; - une boucle d'asservissement en fréquence optique, configurée pour asservir la 10 fréquence optique de la source laser à une consigne de fréquence optique, en agissant sur un dispositif source de courant générant un courant électrique qui traverse la source laser ; et - des moyens de modulation de l'intensité lumineuse de la source laser, participant à un système d'amélioration d'une stabilité de fréquence long-terme de ladite 15 micro-horloge atomique. Les moyens de modulation de l'intensité lumineuse de la source laser comprennent des moyens d'application d'une modulation à ladite consigne de température, afin de générer une consigne de température modulée. La boucle d'asservissement en température est configurée pour asservir la température de la source 20 laser à ladite consigne de température modulée. Ainsi, ce mode de réalisation particulier de l'invention repose sur une approche tout à fait nouvelle et inventive consistant à réaliser la modulation de l'intensité lumineuse de la source laser dans la micro-horloge atomique, en appliquant un signal modulant (c'est-à-dire une modulation) à la consigne de température de la boucle 25 d'asservissement en température. Ainsi, la modulation de l'intensité lumineuse est obtenue indirectement, simplement en combinant de manière inhabituelle et astucieuse deux boucles d'asservissement (et donc sans utiliser d'atténuateur optique variable) : - la boucle d'asservissement en température convertit la modulation de la consigne 30 de température en une modulation de la fréquence optique de la source laser ; 4 - la boucle d'asservissement en fréquence optique convertit la modulation de la fréquence optique en une modulation du courant électrique qui traverse la source laser ; et - dans la source laser, la modulation du courant électrique est convertie en une 5 modulation de l'intensité lumineuse de la source laser, ce qui est l'effet recherché dans la présente technique (de manière classique, la modulation du courant électrique est également convertie par la source laser en une variation de la fréquence optique, conformément au principe de fonctionnement habituel de la boucle d'asservissement en fréquence optique). 10 En d'autres termes, la consigne de température est modulée ; puis cette modulation est transmise sur la fréquence optique par l'asservissement en température ; enfin l'asservissement de fréquence optique la transmet à son tour sur l'intensité lumineuse. Un avantage de la solution proposée est de pouvoir moduler l'intensité 15 lumineuse d'une source laser d'une micro-horloge atomique sans utiliser d'atténuateur variable. Cela implique une simplification de structure mécanique, électronique et enlève des étapes au processus de fabrication et de caractérisation de la micro-horloge atomique. Un autre avantage de la solution proposée est d'être simple à mettre en oeuvre et 20 peu coûteuse puisqu'il suffit de moduler la consigne de température, ceci pouvant être réalisé sans ajouter de composant dans la micro-horloge atomique. Selon une caractéristique particulière, les moyens de modulation sont configurés pour que la consigne de température soit modulée selon une modulation de type sinusoïdal. 25 L'utilisation d'une modulation sinusoïdale sur la consigne de température permet de réduire le bruit en évitant les phénomènes transitoires d'une modulation carrée. Selon une caractéristique particulière, les moyens de modulation sont configurés pour que la consigne de température soit modulée selon une modulation possédant une fréquence comprise dans la plage [0,1 Hz ; 10 Hz]. 30 Cette plage de fréquence ([0,1 Hz ; 10 Hz]) pour la modulation de la consigne de température permet de rester dans la bande passante de la boucle d'asservissement en 5 température (thermostat de la source laser). La borne inférieure de cette plage de fréquence s'explique par le fait que la modulation de la consigne de température permet d'asservir des phénomènes lents tels que les variations de température de l'environnement extérieur à la micro-horloge. Le choix de la fréquence de modulation 5 au sein de cette plage [0,1 Hz ; 10 Hz] permet de s'adapter à différentes applications dans lesquelles certaines fréquences de modulation de la consigne de température dégraderaient les performances du système. Selon une caractéristique particulière, les moyens de modulation sont configurés pour que la consigne de température soit modulée selon une modulation possédant une 10 - amplitude comprise dans la plage [0,01 °C ; 1 °C]. Le fait que l'amplitude de la modulation de la consigne de température soit inférieure à 1°C permet de ne pas trop perturber le laser, et le fait qu'elle soit supérieure à 0,01°C permet qu'elle soit détectable par un système d'amélioration d'une stabilité de fréquence long-terme. 15 Dans un autre mode de réalisation particulier de l'invention, il est proposé un procédé de modulation d'une intensité lumineuse d'une source laser comprise dans une micro-horloge atomique, ladite modulation de l'intensité lumineuse participant à une amélioration d'une stabilité de fréquence long-terme de la micro-horloge atomique, la micro-horloge atomique étant du type comprenant : 20 ladite source laser, possédant une température, une fréquence optique et ladite intensité lumineuse ; une microcellule de vapeur alcaline utilisant le piégeage cohérent de population ; une boucle d'asservissement en température, configurée pour asservir la température de la source laser à une consigne de température, en agissant sur un 25 dispositif de chauffage de la source laser ; une boucle d'asservissement en fréquence optique, configurée pour asservir la fréquence optique de la source laser à une consigne de fréquence optique, en agissant sur un dispositif source de courant générant un courant électrique qui traverse la source laser . 30 Le procédé comprend : 6 - application d'une modulation à ladite consigne de température, afin de générer une consigne de température modulée ; - conversion, par la boucle d'asservissement en température, de la modulation de la consigne de température en une modulation de la fréquence optique de la 5 source laser ; - conversion, par la boucle d'asservissement en fréquence optique, de la modulation de la fréquence optique en une modulation du courant électrique qui traverse la source laser ; et - conversion, dans la source laser, de la modulation du courant électrique en une 10 _ modulation de l'intensité lumineuse de la source laser. Les avantages du procédé sont identiques à ceux déjà discutés en détail ci-dessus pour la micro-horloge atomique mettant en oeuvre ce procédé. Selon une caractéristique particulière, la modulation appliquée à la consigne de température est de type sinusoïdal. 15 Selon une caractéristique particulière, la modulation appliquée à la consigne de température possède une fréquence comprise dans la plage [0,1 Hz ; 10 Hz]. Selon une caractéristique particulière, la modulation appliquée à la consigne de température possède une amplitude comprise dans la plage [0,01 °C ; 1 °C] 20 5. LISTE DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple indicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 présente un schéma simplifié d'une micro-horloge atomique selon une 25 technique connue ; la figure 2 présente un schéma simplifié d'une micro-horloge atomique selon un mode de réalisation particulier de l'invention ; et la figure 3 illustre un mode de réalisation particulier du procédé selon l'invention de modulation de l'intensité lumineuse de la source laser d'une micro-horloge 30 atomique, par exemple celle de la figure 2. 7 6. DESCRIPTION DÉTAILLÉE Sur toutes les figures du présent document, les éléments et étapes identiques sont désignés par une même référence numérique. On présente maintenant, en relation avec la figure 1, un schéma simplifié d'une 5 micro-horloge atomique 100 selon une technique connue. Le signal de sortie d'un tel objet est un signal électrique oscillant à une fréquence stable. Par stable, on entend un écart type d'Allan d'environ 10104011 pour des durées d'intégration d'une seconde et de 10-10-10-12 après une journée d'intégration. La micro-horloge atomique 100 comprend deux sous-ensembles : un module 10 physique 101 et une carte électronique (non référencée). On décrit ci-après les différents éléments de ces sous-ensembles, ainsi que leur coopération. Le module physique 101 comprend une source laser 102 dont le faisceau laser 113 est tout d'abord mis en forme (par un élément optique de mise en forme 103) avant de traverser une microcellule de vapeur alcaline 104 utilisant le piégeage cohérent de 15 population. Une fois sorti de la microcellule de vapeur alcaline 104, ce faisceau laser porte sur son intensité lumineuse, l'information de comparaison entre la fréquence optique de la source laser et la consigne de fréquence optique. Cette consigne est la fréquence de résonance de la structure fine des atomes de la vapeur alcaline de la microcellule 104 (mécanisme décrit dans les ouvrages de spectroscopie laser, 20 . notamment l'ouvrage suivant : Wolfgang Demtrôder « Laser spectroscopy, vol 1, basic principles ». Springer, 2008). Le faisceau laser est ensuite absorbé par une photodiode 105 qui transforme l'intensité lumineuse en un courant électrique 114 représentatif de la comparaison de la fréquence optique de la source laser 102 avec la consigne de fréquence optique. 25 La carte électronique échange des signaux (émission et réception) avec le module physique. Parmi les fonctions réalisées par la carte électronique, il y a notamment un asservissement de la fréquence optique et un asservissement de la température de la source laser 102. L'asservissement de la température de la source laser 102 (c'est-à-dire son 30 maintien à une température spécifique) est réalisé grâce à un thermostat 110 utilisant un dispositif de chauffage 109 (par exemple une résistance chauffante) et une sonde de 8 température 108 inclus dans le module physique 101. Plus précisément, le thermostat 110 reçoit une mesure de température 117 via la sonde de température 108, et la compare (grâce à un soustracteur 112) à une consigne de température C (fournie par un bloc de consigne 111). En fonction du résultat de la comparaison, il génère un signal de 5 chauffage 118 permettant de stabiliser la température de la source laser 102 à une valeur égale à celle de la consigne de température C. En d'autres termes, la micro-horloge atomique 100 comprend une boucle d'asservissement en température (comprenant les éléments référencés 108, 112 et 109), configurée pour asservir la température de la source laser à la consigne de température C. 10 La microcellule de vapeur alcaline 104 est également maintenue à une autre température spécifique grâce à un autre thermostat (non représenté), utilisant un autre dispositif de chauffage (non représenté) et une autre sonde de température (non représentée) inclus dans le module physique 101. L'asservissement de la fréquence optique de la source laser 102 est réalisé grâce 15 à un bloc 106 aussi nommé ci-après bloc SERVO_3 et un dispositif source de courant 107, générant un courant électrique 116a. Le bloc SERVO_3 reçoit de la photodiode 105 (via un filtre 127) le courant électrique 114 représentatif de la comparaison entre d'une part la fréquence optique de la source laser 102 et d'autre part la valeur de consigne de fréquence optique. L'interprétation du courant électrique par le bloc SERV0_3 génère 20 un signal de comparaison (aussi appelé signal d'erreur, qui est négatif ou positif en fonction du résultat de la comparaison précitée). En fonction du signal de comparaison, il génère un signal de rétroaction (aussi appelé signal de correction) 115 agissant sur le dispositif source de courant 107 (en d'autres termes il contre-réagit), afin d'adapter le courant électrique 116a qui sort du dispositif source de courant 107 (et qui est destiné à 25 traverser la source laser 102, afin d'être transformé par celle-ci en fréquence optique et en intensité lumineuse). En d'autres termes, la micro-horloge atomique 100 comprend une boucle d'asservissement en fréquence optique (comprenant les éléments référencés 105, 127, 106 et 107), configurée pour asservir la fréquence optique de la source laser à une consigne de fréquence optique. 30 Comme expliqué plus haut, la micro-horloge atomique 100 comprend également des moyens modulation de l'intensité lumineuse de la source laser 102, qui constituent 9 une brique essentielle d'un système plus large permettant d'annuler un effet parasite important de la micro-horloge atomique qui dégrade sa stabilité de fréquence long-terme. Ce système plus large utilise : 5 - la structure standard d'une horloge atomique, c'est-à-dire un oscillateur local 125 dont la fréquence est asservie sur la fréquence de résonance de la structure hyperfine d'un atome (typiquement l'atome de césium). Le signal de correction 131 de cet asservissement est généré par un bloc 123 aussi nommé ci-après SERVO_1 (qui reçoit de la photodiode 105, via le filtre 127, le courant 10 électrique 114 représentatif de la comparaison de la fréquence optique de la source laser 102 avec la consigne de fréquence optique). Le signal de correction 131 est appliqué sur l'entrée de l'oscillateur local 125 ; - un asservissement de l'amplitude du signal électrique 129 généré par l'oscillateur local 125. Le signal de correction de ce dernier asservissement est généré par un 15 bloc 124 aussi nommé ci-après bloc SERVO_2. Il utilise la sortie 131 du bloc SERVO_1 comme signal d'entrée et applique son signal de sortie 132 sur un amplificateur commandé en tension 126, afin de contrôler l'amplitude du signal électrique de sortie 129 de l'oscillateur local 125. L'amplificateur commandé en tension 126 reçoit le signal électrique 129 généré par l'oscillateur local 125 et 20 délivre un signal contrôlé en amplitude 130. Le signal contrôlé en amplitude 130 est ajouté (grâce à un sommateur 128) au signal de sortie 116a du dispositif source de courant 107. En fonction du résultat de la somme, l'effet parasite que représente l'instabilité du déplacement lumineux pourra être annulé. La boucle d'asservissement utilisant le bloc SERVO_2 permet ainsi d'annuler 25 l'instabilité du déplacement lumineux. Cette instabilité est un effet parasite qui dégrade les performances de la micro-horloge. Selon l'enseignement de l'article précité de Shah et al (intitulé "Active light shift stabilization in modulated CPT docks"), les moyens modulation de l'intensité lumineuse comprennent un atténuateur optique variable 119, intégré au module physique 30 101 et qui reçoit un signal modulant 121, fourni par un bloc de modulation 120 intégré bloc SERVO_2. Plus précisément, l'atténuateur optique variable 119 est positionné sur 10 le chemin optique, entre la source laser 102 et la microcellule de vapeur alcaline 104. Pour moduler l'intensité lumineuse, le signal modulant 121 (d'amplitude AV) est envoyé sur une entrée de commande de l'atténuateur optique variable 104, et celui-ci génère alors une modulation d'intensité lumineuse AI qui entre dans la microcellule de vapeur 5 alcaline 104 (AV -) AI). On présente maintenant, en relation avec la figure 2, un schéma simplifié d'une micro-horloge atomique 200 selon un mode de réalisation particulier de l'invention. Ce mode de réalisation se distingue de la solution connue de la figure 1 en ce que le signal modulant 121 (généré par le module physique 201) est appliqué (grâce à un 10 sommateur 212) à la consigne de température C (fournie par le bloc de consigne 111), de façon à obtenir une consigne de température modulée Cm. C'est cette consigne de température modulée Cm (alors que dans la figure 1 c'est la consigne de température C) qui est comparée, par le soustracteur 112, avec la mesure de température 117 générée par la sonde de température 108. 15 Les autres éléments sont identiques à ceux de la figure 1 (ils ne sont donc pas décrits à nouveau). La figure 3 illustre un mode de réalisation particulier du procédé selon l'invention de modulation de l'intensité lumineuse de la source laser d'une micro-horloge atomique, par exemple celle de la figure 2. On rappelle que cette modulation de 20 l'intensité lumineuse participe à une amélioration de la stabilité de fréquence long-terme de la micro-horloge atomique 200. La technique proposée combine la boucle d'asservissement en température (comprenant les éléments référencés 108, 112 et 109) et la boucle d'asservissement en fréquence optique (comprenant les éléments référencés 105, 127, 106 et 107). 25 Dans une étape 31, le bloc de modulation 120 applique (via l'élément 212) le signal modulant 121 à la consigne de température C, pour obtenir la consigne de température modulée Cm. En conséquence, la source laser 102 est soumise à des variations de température notées AT LASER - Dans une implémentation particulière, le signal modulant possède les 30 caractéristiques suivantes (ou au moins une des trois) : 11 - modulation de type sinusoïdal, qui réduit le bruit en évitant les phénomènes transitoires d'une modulation carrée ; - modulation possédant une fréquence lente, comprise dans la plage [0,1 Hz ; 10 Hz], afin de rester dans la bande passante du thermostat 210 de la source laser ; 5 et - modulation possédant une amplitude comprise dans la plage [0,01 °C ; 1 °C]. Dans une étape 32, la boucle d'asservissement en température convertit la modulation de la consigne de température en une modulation de la fréquence optique de la source laser, sur le faisceau laser. En d'autres termes, la boucle d'asservissement de la 10 température de la source laser transforme la variation de température en variation de fréquence optique (AT LASER -> AfOPT)- Dans une étape 33, la boucle d'asservissement en fréquence optique convertit la modulation de la fréquence optique en une modulation du courant électrique qui traverse la source laser (MOPT 3'1LASER)- 15 Dans une étape 34, la source laser convertit la modulation du courant électrique en une modulation de l'intensité lumineuse de la source laser (-AiLAsER Aiovr)- En résumé, une modulation de la température AT LASER est appliquée sur la source laser. La boucle d'asservissement de température la convertit en modulation de fréquence optique AfopT. Celle-ci est à son tour convertie en modulation de courant 20 électrique AiLASERvia la boucle d'asservissement de la fréquence optique. Enfin cette modulation de courant est convertie en modulation d'intensité REVENDICATIONS1. Micro-horloge atomique (200) comprenant : - une source laser (102), possédant une température, une fréquence optique et une intensité lumineuse ; - une microcellule de vapeur alcaline (104) utilisant le piégeage cohérent de population ; - une boucle d'asservissement en température (108, 112, 109), configurée pour asservir la température de la source laser à une consigne de température, en agissant sur un dispositif de chauffage (109) de la source laser ; - une boucle d'asservissement en fréquence optique (105, 106, 107), configurée pour asservir la fréquence optique de la source laser à une consigne de fréquence optique, en agissant sur un dispositif source de courant (107) générant un courant électrique qui traverse la source laser ; - des moyens de modulation de l'intensité lumineuse de la source laser, participant à un système d'amélioration d'une stabilité de fréquence long-terme de ladite micro-horloge atomique ; caractérisée en ce que les moyens de modulation de l'intensité lumineuse de la source laser comprennent des moyens (212) d'application d'une modulation (121) à ladite consigne de température (C), afin de générer une consigne de température modulée (Cm), et en ce que la boucle d'asservissement en température (108, 112, 109) est configurée pour asservir la température de la source laser à ladite consigne de température modulée (Cm). 2. Micro-horloge atomique selon la revendication 1, dans laquelle les moyens de modulation sont configurés pour que la consigne de température soit modulée selon une modulation de type sinusoïdal. 3. Micro-horloge atomique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans laquelle les moyens de modulation sont configurés pour que la consigne de température 13 soit modulée selon une modulation possédant une fréquence comprise dans la plage [0,1 Hz ; 10 Hz]. 4. Micro-horloge atomique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans 5 laquelle les moyens de modulation sont configurés pour que la consigne de température soit modulée selon une modulation possédant une amplitude comprise dans la plage [0,01 °C ; 1 °C]. 5. Procédé de modulation d'une intensité lumineuse d'une source laser comprise 10 dans une micro-horloge atomique, ladite modulation de l'intensité lumineuse participant à une amélioration d'une stabilité de fréquence long-terme de la micro-horloge atomique, la micro-horloge atomique étant du type comprenant : - ladite source laser, possédant une température, une fréquence optique et ladite intensité lumineuse ; 15 - une microcellule de vapeur alcaline utilisant le piégeage cohérent de population ; - une boucle d'asservissement en température, configurée pour asservir la température de la source laser à une consigne de température, en agissant sur un dispositif de chauffage de la source laser ; - une boucle d'asservissement en fréquence optique, configurée pour asservir la 20 fréquence optique de la source laser à une consigne de fréquence optique, en agissant sur un dispositif source de courant générant un courant électrique qui traverse la source laser ; caractérisé en ce qu'il comprend : application (31) d'une modulation à ladite consigne de température (C), afin de 25 générer une consigne de température modulée (Cm) ; conversion (32), par la boucle d'asservissement en température, de la modulation de la consigne de température en une modulation de la fréquence optique de la source laser ; conversion (33), par la boucle d'asservissement en fréquence optique, de la 30 modulation de la fréquence optique en une modulation du courant électrique qui traverse la source laser ; et 14 - conversion (34), dans la source laser, de la modulation du courant électrique en une modulation de l'intensité lumineuse de la source laser. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel la modulation appliquée à la 5 consigne de température est de type sinusoïdal. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, dans lequel la modulation appliquée à la consigne de température possède une fréquence comprise dans la plage [0,1 Hz ; 10 Hz]. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel la modulation appliquée à la consigne de température possède une amplitude comprise dans la plage [0,01 °C ; 1 °C]. 10