Résultats expérimentaux

La figure IV.30 montre les signaux d’erreur typiques 𝜀_𝐿, 𝜀𝑆, 𝜀+ et 𝜀− générés sur

l’expérience d’horloge SABR-CPT.

La figure IV.31 reporte, avec la séquence SABR-CPT, de nouvelles mesures du déplacement de fréquence d’horloge (référencé par rapport à la fréquence exacte de l’atome de césium avec un déplacement de +7520 Hz) en fonction de la puissance laser (a), la fréquence laser (b), la puissance microonde (c) et la température de cellule (d). A noter qu’il n’y a plus d’asservissement de puissance laser dans ces mesures. Pour (a), (b) et (c), la température de cellule est de 34°C. La fréquence d’horloge est mesurée avec un Microsemi 5120A à 10 MHz et rapportée à 9,192 GHz. Un maser à hydrogène actif est utilisé pour comparer la stabilité de la fréquence d’horloge.

Figure IV-30 : Signaux d’erreur générés dans l’horloge SABR-CPT (a) 𝜀𝐿 (b) 𝜀𝑆 (c) 𝜀+= 𝜀𝐿+ 𝜀𝑆 (d) 𝜀−= 𝜀𝐿+ 𝜀𝑆 . 𝜀+ est utilisé pour corriger la fréquence de l’oscillateur local. 𝜀− est utilisé pour corriger le saut de phase de l’oscillateur local. Dans (d), l’encart est un zoom du signal d’erreur proche

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IV.5 Horloge CPT avec protocole Auto-Balanced Ramsey symétrique (SABR-CPT)

Figure IV-31 : Mesures de différentes sensibilités de la fréquence d’horloge. (a) à la puissance laser. La zone d’intérêt correspond à la gamme à laquelle l’horloge fonctionne. C’est dans cette zone que le coefficient de sensibilité a été prélevé. (b) à la fréquence laser. (c) la puissance micro-onde. (d)

à la température de la cellule de vapeur chaude

Sur (a), on observe que la dépendance de la fréquence d’horloge à la puissance laser est non-linéaire dans la gamme 150-1000 μW. Cependant, dans la zone d’intérêt proche de 850 μW à laquelle l’horloge opère pour optimiser la stabilité de fréquence court terme, le coefficient de sensibilité obtenu est de −2,9 ∙ 10−15 𝜇𝑊−1. Ce coefficient est 10 fois plus petit que pour la version ABR précédente [116], 80 fois plus faible que pour le régime Ramsey-CPT classique [22], et 800 fois plus petit que dans le régime CPT continu [115]. Ce gain est directement lié à l’application du protocole SABR-CPT.

La sensibilité à la fréquence laser (b) a été effectuée dans une gamme de ± 10 MHz pour une puissance laser d’environ 850 μW. La dépendance de la fréquence d’horloge à la fréquence laser peut-être approximée par une droite avec une pente de 2,4 ∙ 10−13 𝑀𝐻𝑧−1 en valeur relative. Cette valeur est comparable à celle obtenue en régime Ramsey-CPT [22]. La dépendance à la puissance micro-onde (c) est approximée par une droite, menant à une sensibilité de 10−13 /%. Ce coefficient est 5 fois plus petit que celui obtenu dans le cas du régime Ramsey-CPT.

Dans notre expérience, la dépendance de la fréquence à la température de cellule est annulée au premier ordre autour d’une température d’inversion de 34,6 °C. Il est à noter que nous pouvons mettre en évidence avec autant de clarté l’existence de ce point d’inversion pour la première fois. Auparavant, les fluctuations de puissance laser nous empêchaient d’évaluer correctement cette dépendance. Les données expérimentales sont approximées par un polynôme d’ordre deux. La dépendance à la température de la fréquence d’horloge est mesurée autour de ce point de 8 ∙ 10−11 _𝐾−2_.

La figure IV-32 reporte la déviation d’Allan de la fréquence d’horloge, obtenues dans différentes conditions et à différents moments.

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IV.5 Horloge CPT avec protocole Auto-Balanced Ramsey symétrique (SABR-CPT)

Figure IV-32 : : Déviation d’Allan de la fréquence d’horloge dans différents modes. (a) Mode Ramsey-CPT, T=2.7 ms, (b) ABR-CPT, (c) SABR-CPT, mesure de 5 jours, méthode de normalisation

désactivée (d) SABR-CPT, mesure « sélectionnée » de 30 000 s, méthode de normalisation activée. Pour (b), Ts=2.7 ms et TL= 5.4 ms. Pour (c) et (d), Ts=1 ms et TL=4 ms. Les lignes en pointillées sont

des approximations à la stabilité court terne avec une pente en 𝜏−1/2_{. La puissance laser est de l’ordre} de 850 μW dans tous les cas.

Les mesures (a) et (b) furent reportées précédemment et correspondent aux performances typiques obtenues en mode Ramsey-CPT (a : 𝑇 = 2.7 ms) et ABR-CPT (b). Dans ces deux cas, l’asservissement de puissance laser de grande bande passante décrit dans la section III.5 est implémenté. Ce dernier permet de réduire le bruit de détection du signal d’horloge à la fréquence de cycle de cette dernière (optimisant ainsi la stabilité de fréquence court terme dans ces conditions) mais aussi de réduire les fluctuations de puissance laser à 104 _{s par un facteur 40, comparativement au régime libre.}

Les mesures (c) et (d) sont les résultats obtenus avec le protocole SABR-CPT. Dans ce cas, seul un asservissement de puissance faible bande passante est utilisé. Ce dernier n’aide pas à améliorer la stabilité court terme mais permet de maintenir un niveau similaire de fluctuations relatives de puissance laser à 104 _{s. Dans (c), la technique de compensation}

du bruit AM laser présentée dans la section IV.5.2 est activée tandis qu’elle ne l’est pas dans (d).

Les données de (c) sont extraites d’une mesure de 5 jours. Dans ce cas, la stabilité de fréquence court-terme est légèrement dégradée par rapport à (b), pour atteindre le niveau de 4 ∙ 10−13 _𝜏−1/2_{, en raison de la bande passante réduite du lock de puissance laser. Pour}

les temps d’intégration supérieurs à 3000 s, la déviation d’Allan évolue avec une pente de 1,5 ∙ 10−16 _𝜏1/2_{, signature d’une marche aléatoire de fréquence.}

La courbe, obtenue dans (d), est extraite d’un set de mesure de 30 000 s sélectionné, au cours d’une période calme du laboratoire. Dans ce cas, la stabilité relative de fréquence court terme de l’horloge est améliorée par un facteur 2 comparativement à (c), grâce à la technique de normalisation, atteignant le niveau de 2 ∙ 10−13 _𝜏−1/2 _{en mode SABR-CPT. Il}

est à noter que cette technique de compensation aide à réduire le bruit de détection et donc la stabilité de fréquence court terme mais ne justifie pas l’amélioration de la stabilité dans (d), par rapport à (c), pour les temps de moyennage supérieurs à 1000 s. Cette mesure

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IV.5 Horloge CPT avec protocole Auto-Balanced Ramsey symétrique (SABR-CPT)

démontre que l’horloge présente le potentiel pour atteindre le niveau de stabilité de 2 ∙ 10−15

à 104 _{s. Il est important de mentionner que de telles performances furent démontrées sur de}

nombreux runs de mesure indépendants, généralement réduits à une durée de quelques dizaines de milliers de secondes, dans des conditions calmes du laboratoire. Néanmoins, ces résultats sont tout à fait remarquables et représentent à notre connaissance les meilleures performances reportées à ce jour pour une horloge microonde à cellule CPT. Ces résultats démontrent pour la première fois avec force l’aptitude des horloges CPT, stabilité moyen-terme inclus jusque 104 _{s, à entrer en compétition avec d’autres types d’horloges}

comme les horloges Rb pulsées [19], voire les horloges compactes à atomes froids [106].