Fermer

Quantime:une horloge atomique de Cs miniature

Chercheurs clés:


Dans ce projet le LTF et ses partenaires de l’EPFL, du CSEM et de l’industrie Suisse ont pour but de développer un prototype industriel d’horloge atomique miniature adapté au marché des télécommunications, résistant à de grands écarts de températures (de -40 à +85°C) et à un coût de production faible. Basé sur les résultats du projet MAC-TFC, la technique de Coherent Population Trapping pour les interrogations atomique est utilisée pour la miniaturisation et la faible consommation en énergie. Pour la réalisation de cette horloge, une série de cellules vapeur de Cs micro-fabriquées ont été testées en spectroscopie optique et CPT et le processus de vieillissement  à long terme  de ces cellules a également été étudié [1]. Des modules laser VCSEL sur-mesure émettant à la ligne D1 du Cs (895 nm) ont été étudiés, montrant une très bonne modulation de réponse à une modulation de fréquence de 4.6 GHz requise pour l’interrogation CPT.

Un synthétiseur microonde sur mesure réalisé comme une simple puce ASIC et produisant une radiation ajustée de 4.6 GHz requise pour la marche de l’horloge a été développé à l’EPFL-ESLAB. Une horloge microcellule a pu fonctionner en utilisant ce synthétiseur ASIC et a prouvé que cette puce a un bruit de phase suffisamment bas (en dessous de -85 dBc/Hz de 2 à 200 kHz de fréquence offset) permettant de ne pas limiter les performances de stabilité de l’horloge [2]. Basée sur une évaluation des dérives systématiques pertinentes, un prototype d’horloge a été fabriqué par le partenaire industriel. Ce prototype a un volume de seulement 39 cm3 (incluant le laser VCSEL, le paquet physique de microcellule et tout l’électronique de l’horloge) et a montré une stabilité de fréquence inférieure à 2x10-10 à 1 s et en dessous de 1.8x10-11 à 104s.


Figure 1: Cellule à vapeur de Cs micro-fabriquée (fabriquée par le CSEM)  et exemple de signal CPT mesuré par cette cellule [1].

Figure 2: Photographie du prototype d’horloge Quantime développé par notre partenaire industriel. L’horloge complète inclue le laser, l’assemblage de microcellule, et l’ électronique de contrôle. Le prototype entier a un volume de 39 cm3 [3].

Cette recherche est financée par la commission pour la technologie et l'innovation CTI, projet 13818: QUANTIME - A miniature Cesium Atomic Clock using CPT technique for telecom applications.
 
Publications clés

  1. S. Abdullah, C. Affolderbach, F. Gruet, G. Mileti,  Aging studies on micro-fabricated alkali buffer-gas cells for miniature atomic clocks,  Applied Physics Letters 106, 163505 (2015). PDF
  2. S. Abdullah, C. Affolderbach, F. Gruet, Y. Pétremand, G. Mileti, “Aging study on a micro-fabricated Cs buffer-gas cell for atomic clock applications”, proceedings of the 28th European Frequency and Time Forum (EFTF), Neuchatel, Switzerland, June 22 - 26, 2014. article sur internet
  3. Y. Zhao, S. Tanner, A. Casagrande, C. Affolderbach, L. Schneller, G. Mileti, P.-A. Farine, “A 4.6-GHz, CPT Cesium-Cell Atomic Clock Operation With a 12-mW Frequency Synthesizer ASIC”, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 64, 263-270 (2014). PDF
  4. Quantime – A miniature cesium atomic clock using CPT technique for telecom applications”, CTI Micro-Nano-Event, May 24, 2014.