Couverture ElectroniqueS n°127

Des chercheurs américains ont réduit une horloge atomique à la taille d'un grain de riz, avec des technologies qui laissent entrevoir à terme une production de volume. Au c&oelig;ur de tous les réseaux d'échanges d'information résident les horloges et les bases de temps dont les battements permettent le décodage des données reçues. Mais la contrainte en précision s'élève avec le débit d'information et/ou le niveau de confidentialité(*) désiré. Ainsi les équipements d'infrastructure réseau embarquent-ils de plus en plus des oscillateurs thermostatés extrêmement précis, recalés éventuellement sur GPS et/ou des horloges atomiques. Des solutions qui, bien qu'efficaces pour assurer les transmissions sans erreur, ont le désavantage d'être relativement coûteuses en encombrement comme en énergie, sans parler de la complexité d'intégration dans le système. Mais l'horloge atomique pourrait bien devenir un simple composant montable en surface grâce aux travaux présentés par une équipe de chercheurs américains du National Institute of Standards and Technology (NIST). Ces derniers ont en effet mis au point un prototype d'horloge atomique ne mesurant que 1,5 mm de côté pour une hauteur de 4,5 mm. La stabilité court terme des premiers prototypes à base de césium observée à une fréquence de 9,102 GHz est de 3E-10 sur une seconde tandis que celle à long terme est d'environ 2E-8 par jour. Mieux, la miniaturisation extrême de l'horloge lui permet de fonctionner avec une consommation de seulement 69 mW tout en maintenant les atomes à une température de 80 °C. Enfin, les technologies de fabrication sur silicium et verre employées pour le dernier prototype, inspirées des techniques de production microélectroniques et Mems, permettent d'espérer la mise en place d'une production de volume (un millier d'horloges sur une tranche de 150 mm) avec un prix unitaire raisonnable. Il reste cependant à industrialiser la chose et peut-être également à optimiser le boîtier, une opération qui, avec des composants discrets classiques, peut déjà prendre plusieurs années. Un laser et une cavité miniatures Le principe de base qui a permis une telle miniaturisation repose dans l'excitation des atomes non plus avec une source micro-ondes mais avec un laser (voir encadré). Cette méthode, imaginée il y a un peu plus d'une vingtaine d'années, a pris toute sa mesure avec les dernières technologies d'intégration microélectroniques. Le premier élément de cette horloge atomique est en effet un laser de type VCSEL fabriqué sur un substrat en nitrure d'aluminium. Ce type de laser de faible puissance (1,3 mA sous 2 V fournissant 0,5 mW de puissance optique) est capable de supporter de très larges plages de modulation, et, ce qui est particulièrement utile dans cette application, il émet verticalement. Au-dessus de ce laser est placé un ensemble optique constitué d'un atténuateur en verre et d'une lentille laissant passer un rayon à 12 µW. Vient ensuite le véritable c&oelig;ur de l'horloge, une cellule emprisonnant un gaz et dotée sur ses côtés de résistances servant d'éléments chauffants. Ce chauffage permet d'augmenter les performances d'absorption des atomes et ainsi la puissance du signal qui affecte le rayon laser. Ce dernier est capté par une photodiode en silicium placée tout en haut de cette construction. La miniaturisation de la cellule est obtenue en gravant une cavité de 600 µm de côté dans un substrat silicium de 375 µm d'épaisseur. Cette cavité est scellée par du verre afin d'emprisonner des atomes de césium dans une atmosphère d'azote. Sur le verre sont plaqués des éléments chauffants d'une épaisseur de 300 angströms en oxyde d'étain. Ces éléments ont le mérite d'être transparents au rayon laser tout en permettant de porter la température du gaz à 80°C. Selon les chercheurs du NIST, un tel empilage pourrait être réalisé de manière collective par traitement et empilement de plusieurs tranches en même temps et découpe des composants finaux. Pour obtenir un composant pleinement fonctionnel, il reste à moduler le laser avec un signal à 4,6 GHz et à récupérer les harmoniques du second ordre sur la photodiode afin d'asservir le système sur la fréquence de résonance à 9,2 GHz. Le signal n'est certes pas aussi stable que celui des modèles plus volumineux, par exemple l'horloge au rubidium référencée RAFS de Temex, qui atteint ainsi une stabilité de 5E-14 sur 10000 secondes et 3E-13 par jour dans un encombrement de 124 × 108,5 × 118 mm. Mais selon les chercheurs du NIST, outre une certaine marge d'amélioration, l'avantage majeur de leur réalisation réside dans sa très faible consommation. De quoi doter même les applications portables d'une référence d'horloge ultraprécise. Mode de fonctionnement simplifié Les horloges atomiques passives sont basées sur un résonateur constitué d'atomes en phase vapeur, excités périodiquement pour passer entre deux états. Habituellement excités par un générateur à une fréquence de proche de la résonance, les atomes doivent alors être encapsulés dans une cavité dont les dimensions sont supérieures à la moitié de la longueur d'onde, donc de l'ordre de quelque centimètres pour l'hydrogène, le césium ou le rubidium. Mais les chercheurs du NIST ont retenu une méthode, dite coherent population trapping, reposant sur l'excitation par un laser modulé en fréquence et en amplitude, qui permet de s'affranchir de ces limitations. Une photo-diode récupère le signal qui a été modifié après traversée de l'enceinte contenant les atomes en phase vapeur. Ce signal sert à stabiliser un oscillateur à quartz plus standard en réglant sa fréquence par rapport à la résonance des atomes. (*) Les satellites GPS émettent deux signaux. L'un, offert au grand public, est facilement perturbable mais contient l'horloge. L'autre, réservé aux militaires, nécessite d'avoir récupéré l'horloge du premier ou de posséder une base de temps très précise préalablement synchronisée pour être décodé.

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