Génération de signaux micro-ondes pour la métrologie à partir de références et de peignes de fréquences optiques

In this Ph. D. thesis a system developed to generate a microwave signal with high frequency stability is presented. Such an ultra low noise signal is produced by phase locking an Erbium doped fiber femtosecond laser comb to an ultra-stable optical reference. The frequency stability of the optical source is thus transferred to the microwave domain. In first step several ultra-stables lasers have been developed to be used as optical reference by frequency locking a laser to a high finesse Fabry-Perot cavity. Vibrations sensitivity of the optical cavity has been strongly reduced by the carefully choice of the cavity geometry using finite element modeling and experimental adjustment. The comparison of two ultra-stables lasers show a fractional frequency stability of about 5.8×10^(-16) @ 1 s using fused silica cavity mirror substrates. One of these lasers together with the femtosecond laser comb has been used to generate a microwave signal at ~12 GHz with a fractional stability of 3×10^(-15) at 1 s. This spectrally pure signal is used for the interrogation of cesium atomic fountain clock which achieves his fundamental limit with a stability of 3.5×10^(-14)τ^(-1/2). It is shown that the frequency noise of the interrogation signal is negligible in the frequency stability budget of the clock. Finally, the noise of the optical to microwave division process has been evaluated using two identical femtosecond laser combs stabilized on a common stable optical reference. After optimization, this limitation is measured at the level of 2-3×10^(-16) for integration time between 1 s and 10 s.Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la réalisation d'un système de génération de signaux micro-ondes à haute stabilité de fréquence. De tels signaux sont obtenus en asservissant en phase un laser femtoseconde à fibre sur une référence de fréquence optique ultra-stable. On est ainsi capable de transférer la stabilité relative de fréquence d'une référence optique dans le domaine micro-onde. Des lasers ultra-stables ont d'abord été développés afin de servir de référence. Ils sont obtenus en asservissant en fréquence un laser sur une cavité Fabry-Perot. Une étude par calculs numériques puis expérimentale a permis de minimiser l'influence, sur les cavités, de la source de bruit dominante qu'est les vibrations. Grâce à cette démarche et à l'utilisation de miroirs de cavité en silice fondue, deux de ces lasers ultra-stables ont une stabilité relative de fréquence estimée à 4,1×10^(-16) @ 1 s. A partir du laser femtoseconde stabilisé sur l'un des lasers ultra-stable, un signal micro-onde à ~12 GHz est généré avec une stabilité de 3×10^(-15) à 1 s. Une horloge atomique à fontaine, interrogée avec ce signal, atteint une stabilité de 3,5×10^(-14)τ^(-1/2), sa limite fondamentale imposée par le bruit de projection quantique. On montre ainsi que la contribution du bruit du signal d'interrogation sur la stabilité de l'horloge (effet Dick) est rendue négligeable. Enfin, la limitation ultime du processus de transfert de l'optique vers la micro-onde a été mesurée en utilisant la même référence optique pour deux lasers femtosecondes identiques. Après optimisation du système, elle a été évaluée au niveau de 2-3×10^(-16) entre 1 s et 10 s