Qu'est-ce qu'un Oscillateur Ultra Stable (OUS)

 

Les Oscillateurs sont des références de temps. On en trouve par exemple dans tous les ordinateurs pour cadencer les opérations. De telles "horloges" ont une stabilité relative de fréquence de l'ordre de 10-7 . De nombreuses applications, tel que le positionnement ou la localisation d'un mobile (satellite, avion, bateau, véhicule terrestre…), également basées sur une mesure de fréquence nécessitent des stabilités bien meilleures (10-12 ou mieux).

La stabilité est caractérisée :

- Dans le domaine fréquentiel, par la Densité Spectrale de Puissance des fluctuations de phase L(f)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Densité Spectrale de Puissance des fluctuations de phase L(f) (f : écart de fréquence par rapport à la porteuse, en Hz) d'un "bon" oscillateur à 10MHz. Ici apparaît par exemple une pente en f -4 typiquement due au thermostat.

 

- Dans le domaine temporel par, la variance d'Allan

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Variance d'Allan sy(t) (t : temps de comptage en secondes) calculée à partir des asymptotes de la figure précédente ; pour cet oscillateur sy(t = 1s) » 5 10-13.

 

Dans le cas d'un OUS, les résultats obtenus sont exceptionnels : la stabilité relative de fréquence atteinte est de 5´10-14 sur 5 secondes et reste inférieure à 1´10-13 sur des temps de comptage de 1 à 100 secondes. (voir à titre indicatif la figure suivante)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


En amont de la réalisation d'OUS, deux thèmes de recherche sont à prendre en considération :

 

1/ Filtrage thermique et asservissement de la température d'un volume dans des conditions d'environnement sévères.

Exemple de résultat : atténuation thermique statique, au niveau du résonateur, de –60 dB (pour – 30°C £ T extérieure £ + 50°C) et dynamique de –90 dB pour des fréquences de variation de la température extérieure inférieure à 0,5 Hz, et ceci aussi bien à pression atmosphérique que sous vide.

 

2/ Compréhension des mécanismes de génération du bruit de phase. C'est faire la part du bruit propre -de l'électronique mais aussi du résonateur- du bruit paramétrique, de la conversion amplitude-phase, de l'intermodulation par les non linéarités...

Il devient désormais possible de "creuser" localement la courbe L(f) pour passer au-dessous des –120 dBc/Hz à 1Hz.

 

La réalisation d'un OUS est en grande partie une finalisation de solutions propres à chaqu'un de ces deux thèmes. La difficulté est dans les compromis à trouver lors de la conception de sa structure mécanique pour atteindre les objectifs de stabilité de fréquence tout en satisfaisant aux contraintes souvent imposées de dimensions, tenue aux vibrations, consommation, interfaçage...