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Quantime - A miniature cesium atomic clock using CPT technique for telecom application
The Quantime project aims at developing a miniature atomic clock suited for the telecom market, requiring a wide operating temperature range (from -40 to +85°C), and a low production cost. The CPT (Coherent Population Trapping) technique for atomic interrogation is used for miniaturization and low power consumption. In the first phase of the project, the clock architecture was chosen, and the main sub-systems were developed. A clock breadboarding demonstrator was assembled and the measured Allan deviation of 1E-11 at 400 s confirms the operation of all the sub-systems
CONCEPTION, TECHNOLOGIE ET PACKAGING DE CELLULES À VAPEUR DE CÉSIUM POUR LES HORLOGES ATOMIQUES DE TYPE MEMS
Atomic clocks are nowadays among the most accurate time and frequency standards, and are used, e.g.,for international time distribution service or in global navigation satellite systems. During the last severalyears, based on reliable and well-stabilized microelectromechanical systems (MEMS) technology and onthe availability of lasers on chip (single-mode vertical-cavity surface-emitting laser; VCSEL),considerable work has been performed by different groups around the world to develop miniaturizedversion of atomic clocks, called MEMS atomic clocks (MAC) or chip scale atomic clocks (CSAC).The goal of this thesis was to design and develop the technology of Cs vapor cells along with thermalanalysis for the thermal management of fully packaged Cs vapor cell for MEMS atomic clock. This workhas been carried-out in the framework of European project “MEMS atomic clock for timing, frequencycontrol and communication” (MAC-TFC). Two different architectures of Cs vapor cell have beenconsidered. The first one operates on the transmission of light through the cell and thus the Cs-vapor, andis called transmissive cell or T-cell. Such T-cell is made of silicon based deep-cavities sandwichedbetween two borosilicate glass wafers. For their fabrication, deep reactive ion etching (DRIE) process hasbeen optimized in order to produce smooth enough side walls of silicon cavities. In addition, specificanodic bonding process has been developed to fill the cavities with buffer gas at the required pressure.Second version of Cs vapor cell is based on the reflection of laser light inside the KOH etched siliconcavity sealed by one borosilicate glass wafer and is called reflective cell or R-cell. R-cells, as an advantageover the T-cells, allow e.g. a longer interaction of light/atom inside the Cs cavity, whereas location ofoptical source and detection elements on the same side of cell leads to better clock compactness. For theirfabrication, wet KOH etching, employed to realize the cavities inside the silicon with near mirror like(111) planes, has been studied and optimized. Further, diffraction gratings for routing of circularlypolarized light have been designed, fabricated and integrated on top of the Cs vapor R-cell. In bothversions of Cs vapor cells, our goal was to simplify the related clock assembly by doing maximumintegration and alignment at the wafer level, thanks to refractive and diffractive micro-optical componentswhile thermal analysis has been also performed for the thermal management of fully packaged Cs vaporcell (transmissive one) based on the Low temperature co-fired ceramics (LTTC) packaging.Les horloges atomiques sont de nos jours parmi les normes de temps et de fréquences les plus précises etsont utilisées, par exemple, pour les services de distributions travaillant à l'heure internationale ou pour lessystèmes de navigation globaux par satellite. Au cours des dernières années, un travail considérable a étéaccompli par différents groupes à travers le monde pour développer une version miniaturisée des horlogesatomiques, basée sur la technologie des systèmes microélectromécaniques qui est fiable, bien stabilisée etsur la disponibilité de lasers sur puces (diode laser monomode à cavité verticale émettant par la surface ouVCSEL : Vertical-Cavity surface emitting Laser). Ce type d'horloge atomique est appelé horloge atomiqueMEMS ou horloge atomique sur puce (CSAC : Chip Scale Atomic Clocks).L'objectif de cette thèse était de concevoir et développer la technologie des cellules à vapeur de Césium(Cs) ainsi qu’une analyse thermique pour sa gestion thermique lorsqu’elle est complètement packagéepour les horloges atomiques MEMS. Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet européen "MEMSatomic clock for timing, frequency control and communication" (MAC-TFC). Deux conceptionsdifférentes de la cellule à vapeur de Cs ont été considérées. La première est basée sur la transmission de lalumière à travers la cellule et donc au travers de la vapeur de Cs et est appelée cellule transmissive ou T-cell. Ces T-cells sont réalisées à base de cavités profondes générées dans du silicium et prises en sandwichentre deux wafers de verre borosilicaté. Pour leur fabrication, le processus de gravure profonde par ionsréactifs (DRIE-Deep reactive ion etching) a été optimisé afin de produire des cavités dans le silicium dontles parois soient suffisamment lisses. De plus, le procédé de soudure anodique a été développé pourremplir les cavités avec du gaz tampon à la pression requise. La deuxième version de la cellule à vapeurde Cs est basée sur la réflection de la lumière du laser à l'intérieur des cavités gravées dans le silicium parKOH et scellées par un wafer de verre borosilicaté. Cette cellule est appelée cellule réfléchissante ou R-cell. Les R-cells permettent, par rapport aux T-cells, une interaction lumière/atome plus longue dans lescavités contenant du Cs, tandis que la localisation de la source optique et des éléments de détection dumême côté de la cellule permet la réalisation d’une horloge plus compacte. Pour leur fabrication, lagravure humide par KOH, employée pour générer les cavités à l'intérieur du silicium avec des parois dontla surface est proche de celle d’un miroir (111), a été étudiée et optimisée. De plus, les réseaux dediffraction pour le guidage de la lumière polarisée circulairement ont été conçus, fabriqués et intégrés surla partie supérieure de la R-cell à vapeur de Cs. Pour les deux versions des cellules à vapeur de Cs, notreobjectif était de simplifier l'assemblage relatif à l'horloge en faisant un maximum d'intégration et d'alignement à l'échelle du wafer, grâce à des composants micro-optiques réfractifs et diffractifs. Une analyse thermique a aussi été effectuée pour la gestion thermique de la cellule à vapeur de Cs complètement packagée (T-cell) à base de céramiques cofrittée à basse température (LTCC : Lowtemperature Co-fired ceramics)
CPT Cesium-Cell Atomic Clock Operation With a 12-mW Frequency Synthesizer ASIC
In this paper, we present the design, fabrication, and electrical characterization of a low-power microwave source for interrogation of cesium atomic hyperfine transition frequency using the coherent population trapping (CPT) technique. The 4.6-GHz frequency generation and signal buffering is performed by a single-chip frequency synthesizer ASIC with a frequency tuning resolution of 1 x 10(-13) and a programmable RF output power from -10 to 0 dBm. The circuit was used to modulate the current of a vertical-cavity surface-emitting laser through a dedicated impedance matching network and low thermal conductivity transmission line. Strong modulation sidebands with >60% of carrier amplitude were obtained with an ASIC power consumption of 12 mW. The system was used as optical source for atomic interrogation in an experimental cesium CPT clock. The measured clock stability of 5 x 10(-11) at tau = 1 s, going down to 4.5 x 10(-12) at tau = 200 s, is limited by the signal-to-noise ratio of the detected CPT signal
Understanding Quantum Technologies 2022
Understanding Quantum Technologies 2022 is a creative-commons ebook that
provides a unique 360 degrees overview of quantum technologies from science and
technology to geopolitical and societal issues. It covers quantum physics
history, quantum physics 101, gate-based quantum computing, quantum computing
engineering (including quantum error corrections and quantum computing
energetics), quantum computing hardware (all qubit types, including quantum
annealing and quantum simulation paradigms, history, science, research,
implementation and vendors), quantum enabling technologies (cryogenics, control
electronics, photonics, components fabs, raw materials), quantum computing
algorithms, software development tools and use cases, unconventional computing
(potential alternatives to quantum and classical computing), quantum
telecommunications and cryptography, quantum sensing, quantum technologies
around the world, quantum technologies societal impact and even quantum fake
sciences. The main audience are computer science engineers, developers and IT
specialists as well as quantum scientists and students who want to acquire a
global view of how quantum technologies work, and particularly quantum
computing. This version is an extensive update to the 2021 edition published in
October 2021.Comment: 1132 pages, 920 figures, Letter forma
Department of Defense Dictionary of Military and Associated Terms
The Joint Publication 1-02, Department of Defense Dictionary of Military and Associated Terms sets forth standard US military and associated terminology to encompass the joint activity of the Armed Forces of the United States. These military and associated terms, together with their definitions, constitute approved Department of Defense (DOD) terminology for general use by all DOD components