Cette thèse présente le travail effectué sur la conception d’un oscillateur à quartz miniature (volume visé de 1 cm³) contrôlé en température. Les équipements de télémétrie, tels que ceux utilisés dans les microsatellites (comme Myriades) sont d'un volume très important (8 L). Des équipements avec un volume 8 fois moindre (1 L) sont envisagés sur les pico et nano satellites. Une réduction drastique du volume et de la consommation est donc nécessaire, à performances égales. Elle nécessite une remise en question de l'ensemble des éléments composant l'équipement dont le micro-oscillateur, tant au niveau volume qu'au niveau consommation d’énergie. Les études préliminaires ont servi à définir le résonateur adapté pour satisfaire les spécifications de stabilité demandées. La simulation thermique d'un modèle d’oscillateur OCXO (Oven Controlled Xtal Oscillator) a permis d'obtenir une bonne compréhension des transferts de chaleur dans le dispositif. La réduction des pertes thermiques et l'augmentation de la stabilité thermique du résonateur étaient les principaux défis. La dilatation thermique du résonateur entraîne des contraintes mécaniques au niveau de ses fixations et décale la fréquence de résonance. Un MEMS en silicium a été conçu pour supporter le résonateur à l’aide de simulations thermomécaniques. Ce support est compatible avec les contraintes de faible consommation et de sensibilité thermique tout en gardant une bonne résistance aux chocs. En ce qui concerne l’électronique, une puce ASIC utilisée depuis plusieurs années a été caractérisée pour établir un modèle numérique. Cette étude a dévoilé les facteurs limitants des performances de l’ensemble et permis d’envisager des solutions correctives. En intégrant dans la démarche les coûts de fabrication, l’utilisation d’un ASIC a été écartée (au moins provisoirement) au profit d’une solution exploitant des composants électroniques du commerce. Enfin, un démonstrateur de module physique miniature a été monté et caractérisé. Les résultats de mesure montrent que la consommation du démonstrateur reste inférieure à la spécification demandée (50 mW à une température extérieure de 25 °C et à 100 mW pour –40 °C). L’importance de la participation du rayonnement dans les échanges thermiques a aussi été validée expérimentalement.

résonateur acoustique, quartz, OCXO oscillateur, bruit de phase, régulation en température, effet force-fréquence, modélisation thermomécanique, miniaturisation, oscillateurs à quartz, bruit de phase, microélectronique

L'exactitude délivrée par les systèmes de positionnement globaux par satellites (GNSS) est un facteur clé pour de nombreuses applications scientifiques telles que le positionnement de points géodésiques ou d’autres satellites, l'établissement de systèmes de référence spatio-temporels, la synchronisation d’horloges ou encore l'étude directe du lien pour sonder l’atmosphère. L'augmentation de la constellation GNSS avec des mesures de pseudo-distances entre les satellites est une option prometteuse pour améliorer l'exactitude du système. Plusieurs études présentent l'apport qualitatif de ces liens inter-satellites (ISL), mais ne permettent pas de mesurer efficacement l'impact quantitatif de cette technologie. Dans cette thèse, nous avons effectué une étude différentielle entre un système classique (possédant seulement des liens standards espace-sol) et un système augmenté avec des ISL. Les deux systèmes sont étudiés sous les mêmes hypothèses et à travers le même code de calcul. Celui-ci est composé de deux parties distinctes et autonomes : une simulation d’observables sous la forme de pseudo-temps de vol bruités, et une analyse qui délivre, après ajustement des paramètres, les bilans d’erreurs quantitatifs. La comparaison des bilans d'erreurs quantitatifs associés aux deux systèmes nous permet d’établir, pour une même application donnée, les différences de performance relatives entre les deux systèmes. Les résultats obtenus permettent de franchir un pas de plus vers la validation de l’apport des liens inter-satellites et sont à considérer pour les versions futures des systèmes de navigation par satellites..

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01619076v1

GNSS, liens inter-satellite, simulation numérique, positionnement, système de référence, relativité générale, transfert de temps

Le travail présenté dans ce manuscrit porte sur l’avancement de l’expérience FORCA-G (FORce de CAsimir et Gravitation à courte distance) dont le but est la mesure par interférométrie atomique de forces à courte distance entre un atome, piégé dans un réseau optique vertical, et une surface. Réalisée à l’aide de transitions Raman stimulées, la séparation spatiale et cohérente des paquets d’onde atomique sur des puits adjacents du réseau permet de mesurer, après recombinaison, la différence d’énergie entre ces puits, liée à l’incrément d’énergie potentielle de pesanteur : la fréquence de Bloch n_B. Pour de faibles densités atomiques, il est démontré une sensibilité court terme à 1 s de $\genfrac{}{}{1pt}{}{\delta v}{v_{B}}$ =1,8x10⁻⁶ à l’état de l’art des capteurs de forces à atomes piégés. La mise en place d’un système de refroidissement évaporatif, afin d’augmenter le nombre d’atomes par puits, permet désormais d’explorer des régimes de fortes densités atomiques où les interactions ne peuvent être négligées. Pour des densités de 10¹¹ − 10¹² atomes/cm³, il est montré qu’un phénomène d’auto-synchronisation des spins entre en compétition avec le mécanisme d’écho de spin. L’impact de ce phénomène sur le contraste et la fréquence mesurée est étudié dans un interféromètre où les deux paquets d’onde occupent le même puits. Des premières mesures sont ensuite effectuées dans le régime où les paquets d’onde sont séparés. Elles montrent un comportement différent qui reste à modéliser. Enfin, il est montré que le protocole de mesure permet de s’affranchir des biais collisionnels : les interactions atomiques limitent la sensibilité du capteur de force sans limiter son exactitude.

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01462275

interférométrie atomique, Casimir-Polder, atomes ultra-froids, capteur inertiel, réseau optique, auto-synchronisation des spins

L’objet de cette thèse de doctorat est la conception et la construction d’une horloge atomique réalisée sur un microcircuit à atomes (TACC) et améliorée par l’intrication. L’élément principal de cette nouvelle expérience est un micro-résonateur Fabry Pérot qui permet la génération d’états de spin comprimés de l'ensemble atomique grâce aux interactions entre la lumière et les atomes. Il a déjà été montré que ces états peuvent améliorer les performances métrologiques des horloges atomiques. Cependant, les expériences ayant permis cette démonstration de principe n'ont pas encore atteint un niveau de précision présentant un intérêt métrologique. C’est précisément l'objectif de la nouvelle configuration expérimentale que nous proposons ici. Afin de conserver la compacité et la stabilité de notre installation, nous avons choisi d’utiliser une cavité Fabry-Pérot fibrée (fibered Fabry-Pérot, FFP) comme résonateur optique, dans lequel les miroirs du résonateur sont réalisés sur la pointe de fibres optiques. Pour répondre aux exigences de notre expérience, une nouvelle génération de résonateurs FFP a été développée au cours de cette thèse, les plus longs réalisés à ce jour. À cette fin, nous avons développé une procédure d’ablation par tirs multiples à l'aide d'un laser CO₂ focalisé, qui permet la mise en forme des surfaces de silice fondue avec une précision et une polyvalence sans précédent.

L'intégration du résonateur optique au dispositif expérimental TACC nécessite une conception nouvelle du microcircuit à atomes, qui doit permettre le transport du nuage atomique jusqu’au résonateur. Nous présenterons donc la conception et la fabrication de ce microcircuit à atomes.

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01452767v1

Document en anglais

résonateur fibré, micro-résonateur, horloge atomique, état de spin comprimé, métrologie quantique, microcircuit à atomes

Les technologies de filtres, résonateurs, oscillateurs et capteurs sont des éléments essentiels dans les industries des télécommunications, automobile, militaire, médical, etc. Les monocristaux de LiTaO₃ (LT) etLiNbO₃ (LN) sont les matériaux les plus utilisés pour la fabrication de filtres de radiofréquence à ondes élastiques des téléphones portables, car ils possèdent un facteur de couplage électromécanique (K²) élevé. Cependant, ils présentent une problématique liée à la variation de la fréquence de fonctionnement avec la température (CTF), dont la valeur est environ de –40 à –95 ppm/°C. D’autre part, il a été démontré dans la littérature que les propriétés de LT et LN changent avec la non-stœchiométrie du lithium.

L’objectif de cette thèse a été l’étude de l’effet de la concentration en Li₂O sur la performance des dispositifs acoustiques à ondes élastiques de surface, utilisant comme substrat piézoélectrique des monocristaux de LT coupe YXl/42 (42 RY-LT) et LN coupe YXl/128 (128 RY-LT). Cette étude vise à l’amélioration du CTF sans la dégradation d’autres propriétés (K2 et pertes d’insertion) dans le cas du 42 RYLTet la stabilité de dispositifs utilisés à haute densité de puissance dans le cas du 128 RY-LN. Tout d’abord, nous avons préparé des monocristaux de LT et LN avec différente concentration en Li₂O :48,5-50 mol%, en utilisant la méthode d’équilibration par transport en phase vapeur (VTE). Ensuite, nous avons fabriqué et caractérisé des dispositifs à ondes élastiques de volume et de surface à base de LT et LN, traités par VTE, afin d’étudier l’effet de la non-stœchiométrie du lithium et l’effet des domaines ferroélectriques sur leur performance.

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01493665v1

Document en anglais

Coefficient de température de la fréquence (CTF), stœchiométrie, monocristaux de LT et LN, facteur de couplage électromécanique (K²), équilibration par transport en phase vapeur (VTE).

Cette thèse porte sur l'amélioration des performances du CAG, le gravimètre atomique développé au SYRTE. Cet instrument exploite des techniques d'interférométrie atomique pour mesurer l'accélération locale de la pesanteur g subit par un nuage d'atomes froids de rubidium 87 en chute libre. Les perfectionnements comme l'asservissement des puissances des faisceaux Raman et l'optimisation des paramètres tels que ceux pilotant la détection sont présentés dans ce manuscrit. La position initiale du nuage, sa vitesse moyenne, son expansion balistique dans les faisceaux Raman ainsi que leur évolution, sont autant de paramètres altérant les performances du CAG. Les inhomogénéités de couplage qui en résultent, modifient la symétrie de la fonction de sensibilité de l'interféromètre et le rendent sensible aux désaccords Raman constants. De plus, les désaccords Raman de type Doppler ne peuvent voir leur effet annulé par la technique de mesure mise en place pour rejeter les effets systématiques. L'asymétrie de l'interféromètre a été mesurée et une méthode pour la compenser est proposée. Enfin, plusieurs comparaisons avec différents gravimètres sont présentées. La comparaison internationale CCM.G-K2 a permis de confirmer l'exactitude du CAG, révélant notamment un écart type d'Allan de 5,7×10^–9/√Hz. Finalement, une session de mesure d'un mois en vue commune avec un gravimètre supraconducteur iGrav est étudiée. Elle a permis la détermination du facteur d'échelle de l'iGrav à 0,1 % dès un jour de mesure et 0,02 % en moins d'un mois. L'écart type d'Allan sur le résidu du signal entre les gravimètres atteint alors 6×10^-11g après 12 h de mesure.

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01599324v2

interférométrie atomique, gravimètres, exactitude, stabilité, effets systématiques, comparaisons

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur le développement de références de fréquence optique, ou lasers ultra-stables. Ceux-ci sont obtenus en asservissant la fréquence d’un laser sur une cavité Fabry-Perot de haute finesse. Un premier laser est asservi sur une cavité commerciale en verre ULE et une stabilité relative de fréquence de 1,9×10^-15 est obtenue à 1 s. Ce signal optique est transféré dans le domaine des fréquences micro-ondes par un laser femto-seconde.

Le signal obtenu à10 GHz dispose d’un bruit de phase de –104 dBc/Hz à 1 Hz. Dans un second temps, une cavité ultra-compacte de 25 mm est développée. Des simulations par éléments finis poussées ont conduit à la fabrication d’une nouvelle géométrie de cavité, dotée de coefficients de sensibilité accélérométriques simulés inférieurs à 10^-12/(m·s^–2) selon toutes les directions. Une enceinte à vide compacte, munie d’un banc optique embarqué, a été réalisée de façon à limiter le volume du système complet à environ 40 L. Enfin, une cavité cryogénique en silicium a été conçue. Régulée à une température de 17 K, elle sera limitée par son bruit thermique à un palier de stabilité relative de fréquence de 3×10^-17. Un cryogénérateur à faibles vibrations est utilisé pour atteindre cette température. Des modélisations par éléments finis de la cavité ont permis d’obtenir une sensibilité accélérométrique simulée de 4,5×10^-12/(m·s^–2).

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01461475

cavité Fabry-Perot ultrastable, asservissement de fréquence, laser femtoseconde, Cavité en silicium cryogénique

L’objectif de cette thèse était de concevoir, fabriquer, et tester des transducteurs ultrasonores multi-éléments pour des applications en environnements sévères. Dans ce contexte, des techniques de caractérisation des matériaux ont été développées afin d’adapter la conception des transducteurs en fonction des contraintes de l’environnement, et plus particulièrement la température. Deux types de conceptions ont été étudiés selon les applications visées : La première application consistait à développer un transducteur ultrasonore permettant de réaliser des contrôles non destructifs dans des réacteurs de génération IV (refroidi au sodium liquide) lors d’un arrêt de tranche. Dans ce cas, l’environnement sévère était caractérisé par une température de 200 °C, et la présence de sodium liquide. Des radiations pouvaient également être présentes. Pour cette application, un transducteur (nommé LiNa) sous la forme d’un projecteur ultrasonore linéaire de 20 éléments, fonctionnant à 2,5 MHz a été fabriquée, puis testé en eau et en sodium liquide. La seconde application consistait à développer un transducteur ultrasonore permettant de réaliser des contrôles non destructifs en contact de pièces massives en cours de soudage. Une pièce massive est par exemple une cuve de réacteur nucléaire. Ce transducteur permet de détecter des défauts dans une soudure très rapidement après sa réalisation, et ainsi corriger directement cette dernière, sans attendre que les pièces soient refroidies. Pour cette application, un transducteur (nommé MaCo) sous forme de matrice 8 × 8 éléments, fonctionnant à 5 MHz a été développé, et caractérisé de la température ambiante, jusqu’à 240 °C. Avec ce capteur, Avec ce capteur, des échos en ondes transversales ont été obtenus jusqu’à la température limite, sans refroidissement.

ultrasons, transducteurs, environnements sévères, multi éléments, contrôle non destructifs, transducteurs ultrasonores