CH710305B1 - Procédé de fabrication d'une microcellule à gaz tampon pour micro-horloge atomique au césium. - Google Patents

Abstract

L’invention concerne un procédé de fabrication d’une microcellule de micro-horloge atomique au césium de température d’inversion supérieure à 80 °C comprenant une étape de génération d’une vapeur de césium par chauffage d’une pastille comprenant du césium, le gaz tampon utilisé comprenant du néon et de l’hélium. L’invention concerne également une microcellule de micro-horloge au césium fabriquée selon ledit procédé.

Description

Description [0001] Le domaine de l’invention concerne les micro-horloges atomiques au césium. Plus précisément, l’invention concerne le gaz tampon utilisé dans les microcellules de micro-horloge au césium.

[0002] Les performances de nombreux systèmes compacts et portables reposent sur la stabilité de fréquence de la référence ou de l’étalon qu’ils utilisent. Un récepteur GPS, acronyme de Global Positioning System, en langue anglaise ou Système de positionnement mondial, en langue française, par exemple, est basé sur le principe de la mesure des temps de propagation d’ondes électromagnétiques émises par une constellation de satellites en orbite autour de la Terre et synchronisés entre eux par des horloges atomiques. La précision du positionnement du récepteur GPS dépend essentiellement de la qualité de la mesure du temps de parcours des ondes émises par un satellite en orbite autour de la Terre jusqu’au dit récepteur GPS. Les ondes satellites GPS sont codées ou modulées pour transporter sous forme d’un message de navigation et d’un code pseudo-aléatoire l’information de temps de référence de la constellation GPS. Pour exploiter cette information, le récepteur GPS doit posséder sa propre horloge qui lui permettra de dater l’instant de réception de chaque onde lors de leur réception. Ainsi, le récepteur GPS sait comparer cette date de réception à l’information de temps d’émission transportée de manière codée par l’onde reçue.

[0003] La connaissance a priori avec une grande précision du temps de la constellation GPS par le récepteur GPS grâce à une horloge de grande précision lui permet une navigation GPS plus robuste dans les cas où la réception des signaux est susceptible d’être perturbée, interrompue ou discontinue. Elle peut aussi contribuer à la sécurité et l’intégrité de la navigation quand cela est rendu nécessaire par exemple pour les besoins de la navigation aérienne et le transport de passagers.

[0004] Un étalon de fréquence est un dispositif physique, comme par exemple, une horloge atomique, fournissant un signal périodique dont la fréquence est stable et connue avec une grande précision.

[0005] Aujourd’hui, l’évolution des systèmes nécessitant une haute robustesse et un haut degré de sécurité requiert une référence en fréquence stable, typiquement la variation de fréquence de référence doit être inférieure à une microseconde par jour.

[0006] Actuellement, les meilleures références en fréquence sont les horloges atomiques. Les horloges atomiques exploitent la fréquence de transition entre deux niveaux d’énergie d’une espèce atomique dont la valeur dépend de la relation de Bohr. Comparativement à un signal oscillant délivré par un résonateur à quartz, par exemple, dont la fréquence dépend des dimensions du matériau ou d’autres paramètres expérimentaux, la fréquence d’une horloge atomique ne dépend que des constantes physiques intrinsèques de l’espèce atomique, ces constantes sont indépendantes des conditions expérimentales et ne varient pas dans le temps.

[0007] La fig. 1 représente un étalon de fréquence, en l’espèce une horloge atomique, comprenant deux éléments de base: - une référence atomique 1 correspondant à la fréquence de transition d’un atome entre deux niveaux d’énergie du spectre de l’atome considéré. Les deux niveaux d’énergie étant liés par la relation de Bohr E2 - E-ι = h.-0at, h étant la constante de Planck, et - un oscillateur macroscopique 2 qui fournit un signal utile de fréquence proche de la fréquence 9at de transition de l’atome de la référence atomique 1.

[0008] La référence atomique 1 permet d’étalonner la fréquence de l’oscillateur 2 et ainsi de transférer la stabilité de la fréquence de la référence atomique 1 à l’oscillateur macroscopique 2.

[0009] Historiquement, le césium a été choisi pour définir la seconde du Système International, les horloges basées sur l’atome de césium isolé de son environnement sont donc considérées comme des étalons primaires. Les horloges basées sur des atomes différents du césium ou sur des atomes de césium non isolés sont dites secondaires et doivent être étalonnées à l’aide des horloges dites primaires.

[0010] Une horloge atomique doit délivrer un signal de fréquence connue et stable reposant sur la résonance atomique. Pour cela, on fait interagir un champ électromagnétique dont la fréquence 9 est générée à partir de la fréquence délivrée par un oscillateur de fréquence 9osc avec un atome présentant une résonance à la fréquence 9at = (E2- EJ/h.

[0011] La réponse du système atomique dépend du désaccord δ = -9 - 9at entre la fréquence du signal issu de l’oscillateur et la résonance atomique. La réponse est maximale lorsque l’écart ou désaccord δ est nul. Le désaccord mesuré permet de construire un signal d’erreur et la correction qui doit être appliquée à la fréquence de l’oscillateur 2. Ce processus de correction a pour objectif de ramener la fréquence de l’oscillateur 9osc vers la fréquence atomique de résonance.

[0012] A ce jour, les étalons atomiques les plus compacts sont des horloges atomiques à rubidium.

[0013] Ce type d’horloge présente des dimensions de l’ordre de la dizaine de centimètres et consomme plusieurs watts de puissance électrique. Les dimensions relativement importantes des horloges atomiques compactes conventionnelles et leur consommation électrique importante limitent leur utilisation pour des systèmes embarqués ou portables.

[0014] Au début des années 2000, la miniaturisation des systèmes portables est devenue un enjeu majeur.

[0015] On cherche à réaliser des horloges atomiques miniatures ayant des performances de stabilité de fréquence bien meilleures que celles obtenues avec un oscillateur à quartz, d’au moins un ou deux ordres de grandeur, et présentant un volume compris entre 1 et 15 cm3 et consommant jusqu’à 150 mW.

[0016] Les exemples d’applications, cités précédemment, requièrent des horloges ayant un très haut niveau de performance.

[0017] D’autres applications ont des contraintes de performances plus modestes mais des contraintes en termes de dimensionnement et de consommation d’énergie beaucoup plus strictes.

[0018] Les horloges compactes à rubidium sont bien connues. Les horloges conventionnelles comprennent une partie optique et une partie micro-onde séparées temporellement et géographiquement.

[0019] Le principe de fonctionnement d’une horloge à rubidium peut se résumer en deux étapes.

[0020] Dans une première étape, les atomes de rubidium sont pompés optiquement grâce à un laser dans un des niveaux d’énergie d’horloge.

[0021] On entend par pompage optique la capacité de manipuler les atomes à l’aide d’un faisceau laser pour peupler un niveau d’énergie donné.

[0022] Dans une deuxième étape, on applique un signal hyperfréquence annexe de 6,8 GHz pour faire osciller les atomes entre les deux niveaux d’énergie que l’on cherche à exciter.

[0023] Ce type d’horloges, bien que relativement compactes reste toutefois de dimensions relativement importantes. En effet, ce type d’horloges nécessite l’utilisation d’une cavité résonante dont les dimensions sont adaptées à la longueur d’onde que l’on cherche à exciter.

[0024] Une miniaturisation des horloges atomiques compactes est rendue possible par un principe physique nommé piégeage cohérent de population, plus connu sous le terme de «Cohérent Population Trapping», en langue anglaise, ou CPT et le développement des techniques de micro-fabrication.

[0025] Le principe du piégeage cohérent de population CPT, représenté sur la fig. 2, consiste à faire une interrogation tout optique.

[0026] Un système atomique à trois niveaux est constitué de deux états fondamentaux (1) et (2) avec des énergies E-ι et E2, respectivement, couplés à un état excité commun (3).

[0027] Un faisceau laser dichromatique, provenant d’une diode laser (dont la fréquence est directement modulée à 4,6 GHz, correspondant à la fréquence moitié de la transition de l’atome de césium) comprend deux ondes Γ32 et p31 séparées par 9,192 GHz.

[0028] Ce faisceau laser va interagir avec les atomes de césium qui vont être piégés dans un état atomique particulier appelé «état noir» dans lequel les atomes de césium n’absorbent pas de photon, la lumière transmise à travers la vapeur atomique est alors augmentée ce qui permet d’obtenir en sortie un signal de résonance exploitable pour corriger la fréquence de l’oscillateur local modulant la diode laser.

[0029] En d’autres termes, il y a dans une micro-horloge CPT une unicité spatio-temporelle de l’étape de piégeage des atomes dans un état d’excitation particulier, correspondant à l’état noir et l’étape d’oscillation entre deux niveaux d’énergie de l’état fondamental à la fréquence de la transition d’horloge.

[0030] Cette interrogation ou excitation tout optique permet de s’affranchir de la cavité métallique résonante qui se trouve autour de la microcellule, et dont les dimensions doivent être en accord avec la longueur d’onde que l’on cherche à exciter.

[0031] L’absence de cavité résonante permet de réaliser une horloge beaucoup plus petite que les horloges compactes à rubidium conventionnelles.

[0032] Les micro-horloges atomiques CPT peuvent être intégrées dans les récepteurs GPS, notamment, pour remplacer les horloges à quartz précédemment utilisées.

[0033] On entend par micro-horloge atomique une horloge atomique dont: - le volume est compris entre quelques cm3 et 15 cm3, - la consommation totale est inférieure à 150 mW, et - la stabilité relative de fréquence est de 10-11 à une journée d’intégration, ou, en d’autres termes, 1 ps de dérive par jour.

[0034] Une micro-horloge atomique, telle que représentée sur la fig. 3, comprend, de manière simplifiée, trois parties: une microcellule 3 dans laquelle se trouvent les atomes de césium 4 qui interagissent avec le faisceau laser 5, un module optique de mise en forme du faisceau lumineux, comprenant notamment la diode laser 6 qui émet le faisceau laser 5 et une partie électronique 7 qui fabrique notamment le signal à 9,192 GHz.

[0035] En l’espèce, la microcellule 3 peut être assimilée à une petite cavité dont les dimensions sont de l’ordre du millimètre.

[0036] Elle comprend une vapeur d’atomes de césium. Les atomes de césium 4 sont agités thermiquement, ils se déplacent à une vitesse de l’ordre de 230 m.s-1.

[0037] Le choc des atomes de césium 4 avec les parois internes 3a de la microcellule provoque la perte de la cohérence atomique, l’atome de césium 4 est alors dépolarisé ce qui atténue le signal d’horloge.

[0038] Or, le but d’une horloge atomique est l’observation des atomes de césium 4 le plus longtemps possible.

[0039] Les chocs des atomes de césium à l’intérieur de la microcellule 3 contre les parois internes 3a de la microcellule 3 doivent donc être minimisés pour améliorer la qualité du signal d’horloge en prolongeant la durée de vie de la cohérence atomique.

[0040] Pour cela, il est nécessaire d’augmenter le temps de vol des atomes de césium entre deux chocs contre les parois 3a.

[0041] La technique la plus couramment utilisée pour augmenter la durée de vie de la cohérence CPT dans la microcellule 3 est de diluer la vapeur alcaline, en l’espèce la vapeur de césium, à l’aide d’une pression de gaz, dit gaz tampon 8.

[0042] En présence de ce gaz, les atomes de césium 4 effectuent de nombreuses collisions contre les atomes de gaz tampon 8 voisins.

[0043] Ainsi, le temps que les atomes alcalins ou de césium 4 mettent pour entrer en collision contre une paroi interne 3a de la microcellule est prolongé.

[0044] Or, plus le temps de vol des atomes de césium 4 est long, plus la largeur du pic à la fréquence de résonance est étroite, et plus la stabilité relative de fréquence de l’horloge est améliorée.

[0045] Toutefois, les collisions entre les atomes de césium 4 et les atomes de gaz tampon 8 vont déplacer les niveaux d’énergie de l’atome de césium 4 et vont induire un déplacement S de la fréquence d’horloge.

[0046] Ce déplacement S de la fréquence d’horloge de quelques centaines de hertz par torr, dépend directement de la nature du gaz tampon 8, de la température T et de la pression du gaz tampon 8 à l’intérieur de la microcellule.

[0047] Dans une gamme de température limitée, le déplacement S de la fréquence dû au gaz tampon 8 peut s’écrire comme suit: S = P [a + b (T - To) + c (T - T0)2] [0048] P est la pression de gaz tampon à une température de référence To = 0 °C, T est la température de mesure, a est le coefficient de déplacement en pression, b et c sont, respectivement, les coefficients linéaire et quadratique de déplacement en température.

[0049] Ce déplacement S de fréquence va donc avoir un impact directement sur la stabilité de la fréquence de l’horloge.

[0050] Habituellement, pour pallier cet inconvénient, le gaz tampon 8 est un mélange de deux gaz: un premier gaz qui induit un déplacement de la fréquence d’horloge vers des fréquences supérieures et un deuxième gaz qui induit un déplacement de la fréquence d’horloge vers des fréquences plus faibles. Un ajustement des proportions des deux gaz constituant le mélange de gaz tampon 8 permet d’obtenir une température dite «d’inversion» voulue.

[0051] Dans ce cas, le déplacement S en fréquence peut s’écrire comme suit: S = P [(Γηa-ι + r2a2) + (r-ib-ι + r2b2). (T — To) + (ΓηΟη + r2c2)2 (T — T0)2] [0052] a-ι, a2, bi, b2, Ci, c2 sont les coefficients propres aux gaz constituant le gaz tampon 8, Γη et r2 traduisent le pourcentage par rapport à la pression totale des gaz, on a n + r2 = 1.

[0053] La dérivée par rapport à T de cette relation dépend des pressions partielles des gaz constituant le gaz tampon 8. Il est, par voie de conséquence, important de contrôler les pressions partielles des gaz lors du remplissage de la cellule.

[0054] On entend par température d’inversion une température à laquelle la sensibilité de la fréquence d’horloge aux variations de température s’annule au premier ordre.

[0055] En d’autres termes, les effets de chacun des deux gaz constituant le mélange de gaz tampon 8 se compensent à une certaine température appelée température d’inversion. A cette température, l’horloge sera beaucoup moins sensible aux variations de températures.

[0056] L’existence d’une température d’inversion est ainsi un point fort pour améliorer la stabilité de fréquence de l’horloge à moyen et long terme.

[0057] Généralement, le mélange de gaz tampon 8 utilisé comprend de l’azote et de l’argon.

[0058] Aux Etats-Unis, des équipes de recherche ont développé des micro-horloges comprenant une vapeur de césium générée par réaction chimique préalablement ou ultérieurement à l’étape de fermeture de la microcellule 3. Cette microcellule utilise un gaz tampon 8 comprenant un mélange Ar-N2.

[0059] Ce type de microcellule 3 permet notamment des applications à hautes températures, typiquement supérieures à 85°C.

[0060] Toutefois, ce mélange Ar-N2 de gaz tampon 8 est incompatible avec une méthode de fabrication de la microcellule 3 dans laquelle la vapeur de césium est générée à l’aide d’une pastille comprenant du césium ultérieurement à la fermeture étanche de la microcellule 3, décrite dans la publication de M. Hasegawa, RK. Chutani, C. Gorecki, R. Boudot, P. Dziuban, V. Giordano, S Clatot - «Microfabrication of césium vapor cells with buffer gas for MEMS atomic docks» - Sensors and Actuators A: Physical 167(2), 594-601,2011.

[0061] Un but de l’invention est de proposer un mélange de gaz tampon 8 de température d’inversion supérieure à 80 °C compatible avec un mode de fabrication des microcellules, tel que décrit dans la publication citée ci-dessus, dont l’étape de génération de la vapeur de césium est postérieure à l’étape de fermeture de la microcellule.

[0062] Ainsi, selon un aspect de l’invention, il est proposé un procédé de fabrication d’une microcellule de micro-horloge atomique au césium de température d’inversion supérieure à 80 °C comprenant: - une première étape de fabrication d’une structure de microcellule de micro-horloge, de sorte à obtenir une première et une deuxième cavités reliées entre-elles par des canaux, - une deuxième étape de fixation d’une plaque inférieure sous la structure de la microcellule de manière à créer une première et une deuxième cavités fermées du côté inférieur de la structure, - une troisième étape d’introduction dans la première cavité d’une pastille comprenant du césium, - une quatrième étape d’introduction d’un mélange de gaz comprenant du néon et de l’hélium dans la structure de la microcellule, - une cinquième étape de fixation d’une plaque supérieure de façon à fermer de manière étanche les première et deuxième cavités, et - une sixième étape de chauffage de la pastille comprenant du césium.

[0063] L’utilisation d’un mélange de gaz comprenant du néon et de l’hélium permet notamment la fabrication de microcellules selon un procédé particulier consistant à générer une vapeur de césium ultérieurement à la fermeture étanche de la microcellule en chauffant la pastille comprenant du césium.

[0064] Avantageusement, la première étape de fabrication de la structure de la microcellule comprend: - une première sous-étape de formation des deux cavités dans un monolithe de silicium, et - une deuxième sous-étape de réalisation des canaux.

[0065] Avantageusement, la formation des deux cavités est réalisée par un procédé de gravure ionique réactive profonde.

[0066] Avantageusement, le chauffage de la pastille est réalisé à l’aide d’un laser permettant d’atteindre de manière localisée des températures de l’ordre de 700 °C nécessaire à la génération de la vapeur de césium.

[0067] Avantageusement, la plaque inférieure et la plaque supérieure comprennent du verre borosilicaté.

[0068] Avantageusement, les deuxième et cinquième étapes de fixation des plaques inférieure et supérieure sont des étapes de soudure anodique par chauffage jusqu’à une température de 350 °C et par application d’une différence de potentiel de 900 V entre respectivement la plaque inférieure et la structure et entre la plaque supérieure et la structure permettant une fermeture étanche de la microcellule de sorte que le gaz d’hélium très volatil ne s’échappe pas.

[0069] Avantageusement, le pourcentage d’hélium dans le mélange Ne-He dépend des températures d’inversion que l’on souhaite obtenir. Typiquement, les températures d’inversion sont comprises entre 80 °C et environ 140 °C.

[0070] Avantageusement, la pression du mélange Ne-He à l’intérieur de la microcellule est comprise entre 10 et 150 Torr, soit entre 13 et 200 hPa, à une température de 0 °C.

[0071] Selon un autre aspect de l’invention, il est proposé une microcellule de micro-horloge atomique au césium de température d’inversion supérieure à 80 °C comprenant un mélange de gaz comprenant du césium, du néon et de l’hélium.

[0072] L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre d’exemple non limitatif, et, grâce aux figures annexées parmi lesquelles: la fig. 1, déjà citée, représente le principe de fonctionnement d’une horloge atomique selon l’art connu, la fig. 2, déjà citée, illustre le principe de l’effet de piégeage cohérent de population, la fig. 3, déjà citée, représente le principe et les principaux éléments constituant une micro-horloge atomique à césium, les fig. 4a à 4f illustrent les étapes d’élaboration d’une microcellule selon l’invention, la fig. 5 est un schéma d’une microcellule selon l’invention, la fig. 6 illustre un exemple de pic de résonance selon le principe CPT d’un signal d’horloge détecté par une microcellule Cs-Ne-He, selon un aspect de l’invention, et les fig. 7a à 7d sont des représentations graphiques de la fréquence d’horloge en fonction de la température de cellule Cs-Ne-He pour différentes compositions de gaz tampon, ces figures mettent en évidence la température d’inversion pour ces différents mélanges, et la fig. 8 (le tableau 1) résume les observations et déductions issues des courbes des fig. 7a à 7d.

[0073] Les fig. 4a à 4f illustrent les étapes d’élaboration d’une microcellule à césium décrites dans la publication de M. Hasegawa et al. citée précédemment.

[0074] En l’espèce, la vapeur de césium de la microcellule est générée uniquement après l’étape de fermeture définitive de la microcellule 3.

[0075] Dans une première étape (fig. 4c), la structure 31 de la microcellule 3, représentée sur la fig. 4a est réalisée.

[0076] On entend par structure 31 le bloc ou monolithe de matériau 30 comprenant les première 32 et deuxième 33 cavités reliées entre elles par des canaux.

[0077] En l’espèce, la structure 31 est réalisée à partir d’un bloc de silicium 30 ou «wafer» de silicium dans lequel sont gravées deux cavités 32 et 33. Avantageusement, le monolithe de silicium est creusé par une méthode de gravure telle que le DRIE acronyme de «Deep Reactive Ion Etching», en langue anglaise. Alternativement, d’autres méthodes peuvent être mises en oeuvre, telle que la gravure chimique KOH.

[0078] Dans une deuxième étape (fig. 4c), une plaque inférieure 34a est fixée sous la structure 31. Avantageusement, la fixation de la plaque 34a est réalisée par soudure anodique jusqu’à une température de 350 °C et en appliquant une différence de potentiel entre la plaque inférieure 34a et le matériau de la structure 31, typiquement, le matériau de la structure est du silicium.

[0079] On introduit dans une troisième étape (fig. 4d) une pastille 35 ou pain comprenant du césium.

[0080] On entend par pain ou pastille de césium 35 un élément solide comprenant notamment du césium et destiné à permettre la création d’une vapeur de césium à l’intérieur de la microcellule sous l’effet de la température.

[0081] Des analyses ont mis en évidence la présence d’autres matériaux et notamment du zirconium dans la pastille de césium 35 utilisée pour générer la vapeur de césium.

[0082] Des études ont montré que le zirconium présent dans la pastille de césium 35 absorbe l’azote du gaz tampon N2-Ar, habituellement utilisé, ce qui explique le fait que l’on ne puisse pas utiliser le mélange N2-Ar dans un procédé de réalisation d’une microcellule utilisant une pastille de césium. En effet, l’azote présent dans le gaz tampon 8 est absorbé et le mélange ne joue plus son rôle de gaz tampon.

[0083] Dans une quatrième étape (fig. 4e), on introduit le mélange de gaz tampon 8 selon l’invention. En l’espèce, le mélange de gaz tampon 8 comprend du néon et de l’hélium préalablement à la cinquième étape de fermeture de la structure 31 par une plaque supérieure 34b sur le dessus de la structure 31.

[0084] Le mélange de gaz tampon 8 comprenant du néon et de l’hélium n’est pas absorbé par la pastille 35 de césium et permet d’atteindre des températures d’inversion supérieures à 80 °C.

[0085] Typiquement, les différentes compositions de gaz tampon Ne-He permettent d’atteindre des températures comprises entre 80 °C et environ 140 °C.

[0086] Dans une sixième étape de chauffage de la pastille de césium jusqu’à une température de 700 à 800 °C, on génère la vapeur de césium. La vapeur de césium va ensuite migrer vers l’autre cavité via les canaux 36.

[0087] La fig. 5 est une vue en perspective de la microcellule 3, selon un aspect de l’invention.

[0088] La microcellule 3 comprend une première 32 et une deuxième 33 cavités. En l’occurrence, la première cavité 32 est circulaire et la deuxième cavité 33 est de forme carrée, toutefois on précise que les formes de ces cavités 32 et 33 ne présentent pas d’importance particulière, les cavités peuvent donc être de forme quelconque. Les deux cavités 32 et 33 sont en outre reliées entre-elles par d’étroits canaux 36.

[0089] Par ailleurs, à l’intérieur de l’une des cavités 32 et 33, en l’occurrence, à l’intérieur de la deuxième cavité 33, est disposée une pastille ou pain comprenant du césium 35 sous forme d’alliage métallique.

[0090] La cavité 32 est remplie d’un mélange de gaz tampon 8, non visible sur la fig. 5, le mélange comprenant du néon et de l’hélium. Postérieurement à la fermeture définitive de la microcellule par la fixation de la plaque supérieure 34b, réchauffement par laser jusqu’à une température de 700-800 °C de la pastille comprenant du césium 35 génère une vapeur de césium à l’intérieur de la microcellule 3.

[0091] Les fig. 7 sont des représentations graphiques de la fréquence en fonction de la température pour différentes compositions de gaz tampon 8 comprenant du néon et de l’hélium. Les différentes conclusions issues de ces courbes sont résumées dans le tableau 1.

[0092] Plus particulièrement, ces courbes mettent en évidence le déplacement S de fréquence d’horloge en fonction de la température de la microcellule 3 comprenant une vapeur de césium et un mélange de gaz tampon 8 pour mettre en évidence la présence d’une température d’inversion pour laquelle la sensibilité de la fréquence d’horloge aux variations de température s’annule au premier ordre.

[0093] Pour réaliser ces courbes, on utilise une diode laser émettant un faisceau laser résonant à une longueur d’onde de 894,6 nm (raie D1 de l’atome de césium), le faisceau est introduit dans un modulateur qui module le faisceau à l’aide d’un oscillateur local générant un signal de 4,596 GHz, correspondant à la moitié de la fréquence d’horloge au césium (9,192 GHz). Le spectre optique est alors constitué de deux raies séparées de 9,192 GHz.

[0094] Le faisceau laser est envoyé sur la microcellule Cs-Ne-He, la microcellule étant régulée en température. De plus, la microcellule est disposée dans un champ magnétique de quelques micro-teslas de manière à isoler la transition d’horloge. La puissance lumineuse transmise est détectée par une photodiode.

[0095] Pour détecter la résonance CPT, on balaie la fréquence de l’oscillateur local qui commande le modulateur et on mesure l’évolution de la puissance lumineuse transmise à travers la cellule. Lorsque la séparation en fréquence entre les deux raies optiques en sortie du modulateur est rigoureusement égale à la fréquence de transition hyperfine des atomes, les atomes de césium sont piégés dans un état particulier, dit état noir, dans lequel ils n’absorbent plus les photons incidents. La puissance lumineuse transmise à travers la cellule est alors maximale et un pic de résonance (fig. 6) est détecté en sortie de la cellule. Un module électronique permet d’asservir la fréquence de l’oscillateur local sur le pic du signal CPT: l’horloge atomique est ainsi formée.

[0096] Les différentes courbes des fig. 7 mettent en évidence le fait que la température d’inversion dépend directement des pressions partielles de néon et d’hélium.

[0097] La courbe de la fig. 7a a été réalisée avec une cellule selon l’invention comprenant un mélange de gaz tampon 8 comprenant 2,4% d’hélium et 97,6% de néon. La courbe de la fig. 7a présente une allure quadratique, le point au sommet correspondant à la température d’inversion. En l’occurrence, la température d’inversion est de 89,7 °C.

[0098] Les courbes des fig. 7b à 7d présentent des allures similaires à l’allure de la courbe de la fig. 7a, seule la proportion d’hélium est modifiée, pour un pourcentage d’hélium de 3,3% la température d’inversion est de 94,6 °C.

[0099] On comprend bien que plus la proportion d’hélium dans le gaz tampon 8 augmente, plus la température d’inversion augmente.

[0100] Ces résultats laissent envisager que pour des proportions d’hélium plus importantes, il serait possible d’augmenter encore la température d’inversion et potentiellement d’atteindre des températures d’inversion de l’ordre de 110 °C voire 140 °C.

[0101] Les micro-horloges réalisées avec un mélange néon-hélium pourraient être utilisées dans un dispositif embarqué pour des applications dans des environnements à hautes températures.

[0102] Bien évidemment, un gaz tampon 8 comprenant un mélange Ne-He peut tout à fait être utilisé dans d’autres types de microcellules n’utilisant notamment pas de pastille de césium 35.

Claims (10)

1. Revendications

   1. Procédé de fabrication d’une microcellule de micro-horloge atomique au césium de température d’inversion supérieure à 80 °C comprenant: - une première étape de fabrication d’une structure (31) de microcellule de micro-horloge, de sorte à obtenir une première (32) et une deuxième (33) cavités reliées entre elles par des canaux (36), - une deuxième étape de fixation d’une plaque inférieure (34a) sous la structure (31) de la microcellule de manière à créer une première (32) et une deuxième (33) cavités fermées du côté inférieur de la structure (31), - une troisième étape d’introduction dans la première cavité (32) d’une pastille (35) comprenant du césium, - une quatrième étape d’introduction d’un mélange de gaz (8) comprenant du néon et de l’hélium dans la structure (31) de la microcellule, - une cinquième étape de fixation d’une plaque supérieure (34b) de façon à fermer de manière étanche les première (32) et deuxième cavités (33), et - une sixième étape de chauffage de la pastille (35) comprenant du césium.
2. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la première étape de fabrication de la structure (31) de la microcellule comprend: - une première sous-étape de formation des deux cavités (32; 33) dans un monolithe de silicium, et - une deuxième sous-étape de réalisation des canaux (36).
3. 3. Procédé selon l’une des revendications 1 et 2 dans lequel les deux cavités sont réalisées par un procédé de gravure ionique réactive profonde.
4. 4. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le chauffage de la pastille (35) est réalisé à l’aide d’un laser.
5. 5. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel la plaque inférieure (34a) et la plaque supérieure (34b) comprennent du verre borosilicaté.
6. 6. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel les deuxième et cinquième étapes de fixation des plaques inférieure (34a) et supérieure (34b) comprennent une étape de soudure anodique.
7. 7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel les étapes de soudure anodique sont réalisée par chauffage jusqu’à une température de 350 °C et par application d’une différence de potentiel de 900 V entre la plaque supérieure (34b) et la structure (31) et la plaque inférieure (34a) et la structure (31).
8. 8. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le pourcentage d’hélium dans le mélange de gaz Ne-He est choisi selon la température d’inversion recherchée.
9. 9. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel la pression du mélange Ne-He à l’intérieur de la microcellule est comprise entre 10 et 150 Torr, soit entre 13 et 200 hPa, à une température de 0 °C.
10. 10. Microcellule de micro-horloge atomique au césium de température d’inversion supérieure à 80 °C comprenant un mélange de gaz (8) comprenant du césium, du néon et de l’hélium, obtenue par le procédé selon l’une des revendications précédentes.