Generation of high spectral purity microwave with photonic techniques and low noise synthesis chain for primary frequency standards

L'obiettivo della tesi è la progettazione di una catena di sintesi che generi un segnale alla frequenza di 9.192 GHz a partire da un segnale a 10 GHz utilizzando componenti a basso rumore. Tutto il lavoro è stato svolto presso l'INRiM di Torino nella divisione "Quantum Metrology and Nanotechnology" nel gruppo "Atomic frequency samples". All'interno della divisione viene mantenuto il campione nazionale primario di frequenza, ovvero un orologio atomico a fontana di Cesio, la IT-CsF2, che realizza il secondo, unità di misura di tempo nel Sistema Internazionale di Misura, attraverso la misura della frequenza di risonanza di una transizione iperfine in un vapore di atomi di Cesio a 9192631770 Hz. Per la progettazione della catena a basso rumore sono state confrontate due idee di progetto con il minor numero di componenti: una prima catena che integra sia componenti analogici che digitali e una seconda catena con esclusivamente componenti analogici. Nel progetto della prima catena il segnale in ingresso a 10 GHz viene duplicato mediante un Power splitter. Un primo segnale a 10 GHz viene diviso per 4 e poi mandato ad un Direct Digital Synthesizer (DDS) che genera un segnale a 800 MHz mediante programmazione software. Il segnale a 800 MHz del DDS e il secondo segnale a 10 GHz vengono mandati ad un mixer che genera un segnale a 9.2 GHz. Il segnale generato viene amplificato e mandato ad un Single-Sideband Mixer (SSB) il cui secondo ingresso è un segnale a 8 MHz generato da un sintetizzatore esterno: il SSB mixer genera così un segnale a 9.192 GHz. Il progetto della seconda catena è identico, ma in questo caso il segnale a 800 MHz viene generato dividendo il segnale a 10 GHz per 25 e moltiplicando dunque i 400 MHz per 2. È stato opportuno misurare, con un Phase Noise Analyzer, il rumore di fase prima di ciascun componente e poi di entrambe le catene e per entrambe le catene sono state tracciate le curve della Deviazione di Allan per avere informazioni sulla stabilità: la seconda catena con rumore di fase a 1Hz di -106 dBc/Hz è meno rumorosa rispetto alla prima (-101 dBc/Hz) ed è anche più stabile. Due copie della seconda catena sono state montate all’interno di due scatole di alluminio ed una di queste è stata riscaldata mediante un riscaldatore flessibile applicato sulla sua superficie. Un sensore di temperatura montato al suo interno ha misurato la variazione di temperatura mentre si misurava la variazione di fase ottenendo una temperature sensitivity pari a 0.07 ps/K. Per interrogare gli atomi della fontana è stato dunque montato il sistema: l’OFC agganciato a un laser ultra-stabile genera un segnale ottico che viene convertito, mediante un modulo esterno, in una microonda a 10 GHz; mediante un sistema retroazionato, che controlla che il sintetizzatore esterno generi un segnale prossimo a 7.368230 MHz, la catena genera il segnale a 9.192631770 GHz che viene mandato alla fontana. Viene eseguita una scansione Ramsey per valutare la presenza di atomi e quindi il corretto funzionamento del sistema, contestualmente viene valutato l’effetto Dick e in ultima analisi viene misurata la stabilità del sistema. Per quanto riguarda la stabilità il valore misurato è di 1.3x10^-13 a 1 Hz, contro i 2.6x10^-13 a 1 Hz della catena già esistente presso l’INRiM. Il miglioramento di un fattore 2 nel dominio delle frequenze si traduce in un fattore 4 nel dominio del tempo: per raggiungere una stabilità pari a 1x10^-16 il sistema precedente impiega 20 giorni mentre il nuovo sistema ne impiegherebbe soltanto 5.