CONCEPTS INNOVANTS POUR UNE HORLOGE Cs COMPACTE A LASER BIFREQUENCE METROLOGIQUE – CHoCoLa

Les technologies de l’information et de la communication (TIC) ont révolutionné notre monde et ont remodelé nos industries. Ainsi, les futurs défis des TIC comprennent le traitement massif de données, le calcul haute performance et la sécurité du monde numérique. Tous ces défis dépendent de façon critique des références de fréquence et de temps. Des horloges précises sont ainsi nécessaires pour l'authentification des transactions financières, pour la gestion des réseaux de communication, ainsi que pour le rétablissement rapide des signaux GPS en situation dense et la synchronisation des systèmes RADAR.
Aujourd’hui, les horloges atomiques sont les meilleures références de temps et de fréquence commercialement disponibles, pour des échelles de temps supérieures à quelques secondes. Dans le futur, des lasers métrologiques seront nécessaires pour développer des horloges compactes et ultra-stables. Dans ce contexte, les horloges à piégeage cohérent de population (Coherent Population Trapping, CPT), utilisant deux lasers verrouillés en fréquence et en phase, permettraient d’atteindre les meilleures performances. Cependant, en termes de cout et d’encombrement, cette configuration à 2 lasers limite leur évolution vers un produit industriel. Ainsi, la disponibilité d'un seul laser compact délivrant deux fréquences optiques, ouvrirait la voie à une horloge CPT compacte et performante.
Dans ce projet, nous proposons de réaliser un démonstrateur d’horloge Cs CPT compact et ultra-stable basé sur l’utilisation d’un laser bifréquence métrologique et d’évaluer son fonctionnement avec des stabilités de fréquence sans précédent, inférieures à 5x10-13 à 1 s et 2x10-14 à 1 h, dans un volume inférieur à 2litres, l’électronique de contrôle étant dans un module 5U, de format 19’’.
Le laser bifréquence sera basé sur l’utilisation d’un ½-VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), optimisé à 852 nm adressant la raie d’absorption D2 du Césium, dans une architecture de cavité externe innovante (WP2). Une analyse approfondie des sources de bruit, critiques pour atteindre la très grande stabilité de l'horloge finale, sera menée (WP3). La réalisation d'un résonateur atomique dédié et d’un banc électro-optique miniature permettra la démonstration d’une horloge d’une stabilité inférieure à 5x10-13 à 1 s et 2x10-14 à 1 h, dans un volume inférieur à 2 litres(WP4).
Ce projet, mené par Thales Research and Technology (TRT), associe les compétences spécifiques et complémentaires de six partenaires dont l'expertise est mondialement reconnue. Le laboratoire Systèmes de Référence Temps-Espace (SYRTE) apportera ses compétences uniques sur les horloges atomiques ultra-stables et Thales Electron devices (TED) apportera son expertise technique et commerciale dans le domaine des horloges. L’expertise laser sera couverte par TRT grâce à ses nombreux travaux sur les lasers bifréquence, et par le Laboratoire Charles Fabry (LCF) grâce à son expérience sur le pompage optique des VECSEL. Le Laboratoire Aimé Cotton (LAC) apportera ses connaissances approfondies sur le bruit et la dynamique des lasers, et le Laboratoire de Photonique et Nanostructures (LPN) sur la conception et la croissance de ½-VCSEL haute performance.

CHOCOLA répond parfaitement au défi sociétal « Société de l’information et de la communication », car il démontrera une horloge compacte et ultra-précise, un des éléments clé des futures technologies numériques. Les concepts innovants, développés dans ce projet, permettront de réaliser une avancée importante dans le domaine des horloges aussi performantes qu’un Maser à hydrogène passif, mais dans un format beaucoup plus compact. A la fin du projet, le démonstrateur obtenu aura atteint un niveau de maturité suffisamment élevé (TRL3) pour commencer une phase de levées de risques préparant son évolution vers un produit industriel. Cette phase sera initiée par TED le long de son implication dans le projet et reposera sur son expertise dans le marché des horloges.