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Soutenance de thèse

de Joël IMBAUD

Evaluation des potentialités des matériaux

du type langasite pour la réalisation d'oscillateurs ultra-stables.

Etude et réalisation préliminaires d'un

oscillateur cryogénique.

25 novembre 2008

sciences & technologiesDépartement Temps - Fréquence 2/46

Plan de la présentation

Introduction générale

Généralités

Types de résonateurs

Oscillateur Colpitts

Stabilité - bruit

1

ère

partie : Oscillateur LGT

Introduction

Fabrication de prototypes

Paramètres des résonateurs LGT

Mise au point de l'oscillateur et de

l'ensemble thermique

Mesures des oscillateurs et analyses

Conclusion 1

ère

partie

Conclusion générale

2

ème

partie : Oscillateur cryogénique

Introduction

Présentation de l'ensemble expérimental

Mesures de résonateurs

Mesures de transistors et modélisation

Mise au point de l'oscillateur

Mesures de bruit et analyses des limitations

Conclusion 2

ème

partie 3/46 Utilisation des oscillateurs ultra-stables (OUS) dans les domaines : - Des télécommunications - De la métrologie - Du positionnement / navigation - Du domaine spatial en général Les oscillateurs à résonateurs à ondes de volume sont avantageux en termes de stabilité sur les temps courts. Accroissement des demandes et des exigences impliquant de meilleures maitrises et performances des OUS.

Introduction générale

4/46

Généralités

5/46

Généralités : Types de résonateurs

La piézoélectricité établit le lien entre les mondes mécanique et électrique

Maille sans déformation

X _ _______ _ ___ _ ___ _ ___

Maille déformée

_ ___ ____ _ ____ _ ___ _ ___ X Y Y __

Effet piézoélectrique : Polarisation des

mailles atomiques sous l'effet d'une déformationDifférents types de résonateurs acoustiques à ondes de volume Les paramètres de tels résonateurs sont sensibles à : • L'orientation de la coupe / axes cristallographiques (SC, LD, BT...) • Le piégeage d'énergie (rayon de courbure, épaisseur des électrodes...) • La qualité du matériau utilisé et procédé de fabrication

Le mode privilégié est le

cisaillement d'épaisseur (nombre de noeuds rang de partiel n) 222
0 22
2 814
nk c enf n e 6/46

Généralités : Oscillateur Colpitts

RL 0 0 C3 R1 Q1

Q2N2857

0 0

Cx_OT5Lx_OT5Rx_OT5

RB1 RB2 RE RC Cx

C_link

C1 C2

C_filter

L_filter

1 2 L1 12 R3 10 V C4 R2 0

Amplitude du signal de sortie

Avantage de l'oscillateur Colpitts :• Peu d'éléments • Peu sensible au bruit de phase paramétrique • Performances • Maîtrise du Q en charge 2121
21

CCCCLf

xosc Q = f 0 /ǻf ǻf 1 .2

HzrdfQ

dfd oscL f osc 7/46

Généralités : Stabilité - bruit

Stabilité typique d'un oscillateur ultra stable à 1 s ~ 1ǜ10 -13

DSP des fluctuations de phase S

(f)Ecart type (variance d'Allan) y [T(s)]

1.E-141.E-131.E-121.E-11

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000

Tau (s)

y [T(s)] T 0 T 1/2 T -1/2 T -1 La fréquence de travail est de 10MHz dans la gamme RF : f Leeson < f coin (fort Q + 10 MHz) bruit proche de la porteuse limité par le résonateur plancher limité par l'électronique -160-150-140-130-120-110-100-90-80-70

0.1 1 10 100 1000 10000

Fréquence (Hz)

Sĭ(f) dBrad²/Hz

f 0 f -1 f -2 f -3 L Qf 2 0 bruit de la boucle ouverte f c f -4 8/46

Généralités : Stabilité - bruit

Osc. 2

Osc. 1

Compteur

PC

Osc. 1Osc. 2

FFT S v (f) S (f) Mesure de DSP des fluctuations de phaseMesure de variance dans le domaine temporel f +2 f 0

Bruit blanc de phase

-1 f +1 f -1

Bruit flicker de phase

-1/2 f 0 f -2

Bruit blanc de fréquence

0 f -1 f -3

Bruit flicker de fréquence+

1/2 f -2 f -4

Marche aléatoire de fréquence

y ()S y (f)S (f)Provenance du bruit S (f) préférée si sa mesure est possible car

Plus d'informations disponibles

Possibilité de remonter à la variance

Facilité de mesure de variance

pour des oscillateurs à des fréquences différentesNécessité d'asservissement oscillateurs proches en fréquence 9/46

Partie 1 : Oscillateur

à langatate

10/46

Oscillateur LGT : IntroductionVolonté d'amélioration des performances par l'essai d'un matériau " nouveau »

• LGS et LGT matériaux de pure synthèse • Pas de bibliographie à propos de la réalisation et mesures d'oscillateurs • Résultats existants sur les matériaux et la réalisation de résonateurs

Objectifs :

La fabrication de résonateurs à électrodes non-adhérentes à la fréquence de 10MHz La réalisation et la caractérisation d'oscillateurs équipés des résonateurs prototypes ~ 19 cm ~ 18 cm 11/46

Oscillateur LGT : Fabrication de résonateurs

1

ère

étape :mise en évidence de différences de qualité des matériaux

Eléments de sélection :

- La coloration - Le spectre de transmission infrarouge - Le coefficient de qualité

Crystal Photonics retenuLGT

0102030405060

200025003000350040004500500055006000

Nombre d'onde (cm

-1

Transmission (%)

LGS St-GobainLGS FomosLGS MitsubichiLGS IC RASLGS Vnisiims

Absorption LGS Absorption LGT

LGS

0102030405060

200025003000350040004500500055006000

Nombre d'onde (cm

-1

Transmission (%

LGT Crystal PhotonicsLGT Fomos

12/46

Oscillateur LGT : Fabrication de résonateurs

Les grandes étapes de fabrication d'un résonateur

Orientation et découpe du

barreau dans le cristalOrientation de l'angle et découpe de la lame dans le barreauRectification cylindrique de la lameDécoupe ultrason des ponts

Rodage et polissage de

la face plane et convexe / mise à l'épaisseurMétallisation et collage du résonateur dans son boitierEncapsulation e

Rayon courbure

Rc 13/46

Oscillateur LGT : Fabrication de résonateurs

Zone perturbée

Surface après

action mécanique

Surface du cristal

avant action mécanique 2

ème

étape :mise au point d'un procédé de fabrication de résonateur

Découpe ultrason

Mise au point d'une

méthode de fabrication à base de poudre de diamant utilisée sur outillage laiton qui donne un très bon résultat : état de surface (Ra) de l'ordre de 1nm

Test d'acidageOutillage rodage/polissage

14/46

Oscillateur LGT : Fabrication de résonateurs

3

ème

étape :choix d'une géométrie de résonateur et optimisation

Test pour différents rayons de courbure

Ø partie active : 10,4 mmLieu des coupes compensées en température (T (1) f = 0) pour la LGT choix d'une coupe Y simple rotation 13579

Partiel

Produit Q-F

Rayon de courbure = 100 mmRayon de courbure = 200 mmRayon de courbure = 300 mm • Calcul théorique du piégeage (Tiersten) • Réalisation de prototypes de natures différentes • Test de plusieurs rayons de courbure -90-75-60-45-30-150153045607590

0 102030405060

phi (°) theta (°)

Mode CMode B

-71,7 -73,4 -77

6-74,4

quotesdbs_dbs14.pdfusesText_20