ASTRID - Accompagnement Spécifique de Travaux de Recherches et d'Innovation Défense

INNOVATIVE SOLUTIONS FOR IMPROVED MINIATURE ATOMIC CLOCKS – ISIMAC

INNOVATIVE SOLUTIONS FOR IMPROVED MINIATURE ATOMIC CLOCKS

Atomic clocks provide enhanced accuracy, stability, and timing precision compared to quartz-based technologies. However, the size and power consumption of compact clocks reduces their deployment in portable applications. The MEMS technology is now adapted for the realisation of miniature frequency and timing reference units.

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.

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 pour des temps d'intégration allant jusque 1000 s.

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.

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.

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.

Atomic clocks provide enhanced accuracy, stability, and timing precision compared to quartz-based technologies. However, the size and power consumption of existing atomic clocks far exceeds those of quartz-based clocks, preventing until now their deployment in portable applications. The technology of Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), with its ability to shrink mechanical features and mechanisms down to micron scales, already provides substantial size and power reduction for applications spanning wireless communications, sensors and microfluidic systems, and is now emerging to provide similar advantages for frequency and timing references.
To this aim, ISIMAC brings together a consortium made of two academic institutions (FEMTO-ST and SYRTE) with the goal to optimize the technology steps of Cs vapour miniature cells, focusing on a new reflective cell (R-cell) with antirelaxation wall coating layers and/or buffer gas and to develop an original modulated laser scheme to enhance the clock performances. The R-cell will be sealed by reliable low temperature bonding techniques, non-invasive for the integrity of the wall coating. R-cell architecture aims to improve the thermal management and to decrease the power consumption as well as to increase the atom-light interaction time and consequently the clock frequency stability. In addition, an original modulated laser source, generating at 894 nm two orthogonally polarized optical lines frequency-splitted by 9.192 GHz, will be developed and characterized. This should allow to increase the atomic resonance contrast and consequently the clock frequency stability performances. The combination of these two modules aims to reach a clock frequency stability better than 10-10 t—1/2 for integration times up to 1000s. Such specifications are intended for many applications and satisfy the operation in other harsh environments.
ISIMAC purpose is to provide an European Premiere for miniature atomic clocks underscoring the primary physics, metrology tools and engineering challenges facing microsystems development. The contribution of FEMTO-ST concerns technologies of micromachining applied to the realization, physical packaging of alkali cells as well as time and frequency metrology. SYRTE contribution mainly touches the laser source development and time-frequency metrology with testing of clock performances.

Project coordinator

Monsieur Christophe GORECKI (UNIVERSITE DE BESANCON [FRANCHE-COMTE]) – christophe.gorecki@univ-fcomte.fr

The author of this summary is the project coordinator, who is responsible for the content of this summary. The ANR declines any responsibility as for its contents.

Partner

SYRTE OBSERVATOIRE DE PARIS
FEMTO-ST UNIVERSITE DE BESANCON [FRANCHE-COMTE]

Help of the ANR 294,800 euros
Beginning and duration of the scientific project: November 2011 - 36 Months

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