Mes travaux de thèse ont pour finalité la réalisation d’un transfert de temps intercontinentald’une stabilité meilleure que 2 ns sur 10 000 s, entre les observatoires géodésiquesde l’International Laser Ranging Service (ILRS). Ce transfert de temps est effectué à l’aide deliens spatiaux optiques obtenus par l’expérience de Transfert de Temps par Lien Laser (T2L2).T2L2 a été lancée le 20 Juin 2008 à 1336 km d’altitude à bord du satellite océanographiqueJason-2. Le principe de cette expérience est basé sur la datation, au sol dans les stations laseret à bord du satellite, d’impulsions laser très courtes (30 - 100 ps) aller - retour (2 voies) venantde 25 stations laser réparties sur le Globe. La performance du lien sol-bord (dont la stabilitéatteint des valeurs inférieures à 10 ps sur 100 s), procurée par la technologie laser d’une partet par la qualité de l’instrument spatial d’autre part permet de lire précisément les variationsde l’oscillateur bord (à quartz) développé pour le système d’orbitographie et de localisationDoppler Orbitography and Radiopositionning Integrated by Satellite (DORIS) du Centre Nationald’Études Spatiales (CNES). Nous montrons qu’il est possible de construire un modèle defréquence déterministe, à court terme (10 j) et moyen terme (plusieurs mois) d’évolution de lafréquence de l’oscillateur bord DORIS, avec une précision relative de 3 - 5·10≠13. Les variationsde fréquence sont induites par un environnement spatial complexe, où les radiations, la températureet le vieillissement du résonateur dégradent l’oscillateur. L’intégration de ce modèlenous permet la réalisation d’un temps à bord pour synchroniser le réseau ILRS complet et ainsiestimer les biais en temps des stations laser par rapport à l’Universal Time Coordinate (UTC).L’effet des biais en temps, estimé à l’aide de T2L2 sur l’orbite ainsi que sur les coordonnées desstations laser de l’International Terrestrial Reference Frame (ITRF) est déterminé précisémentau niveau de quelques millimètres. Enfin T2L2 étant également capable de dater le Pulse ParSeconde (PPS) du système Global Positionning System (GPS), nous étudions l’évolution sur lelong terme (plusieurs années) des horloges utilisées dans les stations laser et nous montrons lesproblèmes insoupçonnés de l’instabilité de leur système de temps/fréquence au sol. / The purpose of my Ph.D. works is the realization of a intercontinental time transfer,with a stability better than 2 ns over 10,000 s, between the International Laser RangingService (ILRS) geodetics observatories. This time transfer is performed thanks to optical spacelinks and the Time Transfer by Laser Link (T2L2) experiment. T2L2 is a passenger on-board theoceanographic satellite Jason-2, which was launched the 20th June 2008, at 1336 km of altitude.The principle of this experiment is based on the (two-way) short laser pulses (30 - 100 ps) timetagging, in laser station on ground and on-board the satellite, which come from 25 worldwidelaser stations. The high performance of the ground-to-space link (where the stability reach valuesbetter than 10 ps over 100 s), given by the laser technology in one hand, and the quality of thespace instrument in the other hand, allows to precisely read the frequency variations of the onboardoscillators (quartz) built for the orbitography and localization Doppler Orbitography andRadiopositionning Integrated by Satellite (DORIS) French system. We demonstrate the possibilityto build a deterministic frequency model, on the short term (10 days), mid-term (severalsmonth) for the on-board DORIS oscillator frequency evolution, with a relative precision at 3- 5·10≠13. Frequency variations are caused by a complex space environment, where radiations,temperature and device aging damage the oscillator. The integration of this model allows us tobuild an "on-orbit" time realization to synchronize the whole ILRS network and thus, estimatelaser station time biases in regard to the Universal Time Coordinate (UTC). The time bias effects,estimate thanks to T2L2, on the International Terrestrial Reference Frame (ITRF) stationcoordinates, is precisely determined at the level of a few millimeters. Finally, T2L2 is able totime tagged the Global Positionning System (GPS) Pulse Per Second (PPS) signal in order tostudy the clock long term (several years) behavior in laser station and we show the unexpectedproblems due to the instability of the station time and frequency system.

Cette thèse est consacrée aux progrès récents des horloges à réseau optique au strontium du LNE-SYRTE, Observatoire de Paris. L'incertitude systématique et la stabilité des horloges optiques sont 2 ordres de grandeur meilleures que les horloges atomiques micro-ondes au cesium qui réalisent la seconde SI, bénéficiant maintenent a des applications en physique fondamentale, astronomie et géosciences. Dans un futur proche, une redéfinition de la seconde SI est attendue, quand les horloges optiques se seront révélées aussi fiables et reproductibles que les horloges a micro-ondes. La thèse présente trois étapes décisives dans cette direction. Nous présentons un fonctionnemment operation quasi-continu de nos horloges Sr pendant plusieurs semaines. Des comparaisons de fréquences locales et à distance avec diverses références de fréquence micro-ondes et optiques montrent que les horloges optiques sont reproductibles par des laboratoires independants. Nous avons démontré un premier réseau tout optique entre des horloges optiques à l'échelle continentale. Les horloges au Sr ont été utilisées pour préparer 5 rapports de calibration du Temps Atomique International (TAI) qui ont été validés par le BIPM comme première contribution au TAI par des horloges optiques. Certains de ces résultats ont été utilisés pour borner l'amplitude d'une possible violation de l'invariance de Lorentz analysant les comparaisons d'horloges distantes. Enfin, nous avons effectué une caractérisation complète des déplacements de fréquence associés aux sources laser à semiconducteur utilisées pour le piégeage des atomes dans l'optique d'applications pour des horloges transportables et spatiales. / This thesis describes the latest progresses regarding the Sr optical lattice clocks at LNE-SYRTE, Observatoire de Paris. Nowadays, the systematic uncertainty and stability of optical clocks are 2 orders of magnitude better than cesium microwave fountains currently realizing the SI second, with applications in fundamental physics, astronomy and geoscience. In the near future, a re-definition of the SI second is expected, once optical clocks are proven to be as reliable and reproducible as their microwave counterparts. The thesis presents three decisive steps in this direction. First, we demonstrate nearly continuous Sr clocks over several weeks. Second, local and remote frequency comparisons against various microwave and optical frequency standards show that OLCs are reproducible over time, and by independent laboratories. We notably demonstrated the first all-optical agreement between optical clocks at continental scale. Third, the Sr clocks were used to calibrate the Temps Atomique International (TAI). The five calibration reports, which we produced, were validated by the BIPM, as the first contribution to TAI with optical clocks. In addition, some of these results were used to improve bounds on a putative violation of the Lorentz invariance by testing the stability of the frequency ratio between remote clocks. Finally, we conducted a full characterization of the frequency shifts associated with semi-conductor laser sources for the trapping light, including optical measurements and frequency shifts measurements, with applications for transportable and space clocks.

Les horloges à réseau optique montrent des performances impressionnantes et sont en train de soulever la question de la redéfinition de la seconde. Dans ces systèmes, un laser ultra-stable est utilisé en tant qu’oscillateur local pour sonder des transitions optiques très étroites d’atomes neutres piégés dans un réseau optique. La stabilité ultime de ces dispositifs, déterminée par le nombre d’atomes interrogés à chaque cycle et évaluée à quelques 10−17/sqrt(tau) (où tau est le temps d’intégration), n’est actuellement pas atteinte et est limitée à quelques 10−16/sqrt(tau) par les fluctuations de phase du laser sonde. Si l’amélioration des cavités ultra-stables sur lesquels sont stabilisés les lasers sonde est largement étudiée, le LNE-SYRTE a opté pour une approche plus récente, dans laquelle la référence de fréquence utilisée est un trou brûlé spectral creusé dans un cristal dopé terres rares refroidi à température cryogénique (environ 4 K). Une stabilité court terme de quelques 10−18 pourrait alors être atteinte. Cette thèse décrit la construction de l’expérience et montre ensuite les résultats d’une étude spectroscopique à haute résolution sur des trous brûlés spectraux étroits (FWHM = 3.3 kHz) creusés dans le cristal Eu3+ : Y2SiO5. L’influence du cryostat à cycle fermé sur la stabilité des trous brûlés spectraux est notamment mise en évidence et diminuée. Enfin, une méthode d’asservissement originale basée sur une détection hétérodyne d’un trou brûlé spectral et un asservissement numérique via un FPGA qui permet de verrouiller le laser sur le sommet du trou brûlé spectral étroit est décrit et montre une stabilité court terme de quelques 10−14, ce qui est un premier résultat encourageant pour la suite du projet. / Optical lattice clocks show impressive performances and are begining to raise the question of the redefinition of the SI second. In these systems, an ultra-stable laser is used as local oscillator to probe very narrow optical transitions of neutral atoms trapped in an optical lattice. The ultime stability of these systems, determined by the number of atoms interrogated at each clock cycle, evaluated at a few 10−17/sqrt(tau) (where tau is the integration time), is currently not reached and is limited to a few 10−16/sqrt(tau) by the phase fluctuations of the probe laser. If the enhancement of the ultra-stable cavities, on which are currently stabilized the probe lasers, is widely studied, LNE-SYRTE has adopted a more recent approach where the frequency reference is a spectral hole burned in rare earth doped crystal cooled down at cryogenic temperature (around 4 K). A short term stability of a few 10−18 could be achieved. This thesis describes the construction of the experiment and present the results of a high resolution spectroscopy of narrow spectral holes (FWHM = 3.3 kHz) burned in the crystal Eu3+ : Y2SiO5. The influence of the closed cycle cryostat on the behaviour of the spectral holes is hightlighted and reduced. Finally, an original locking scheme based on a heterodyne detection of a spectral hole and a numerical lock program using FPGA in order to stabilize the laser frequency on the top of the narrow spectral hole is described and shows a short term stability of a few 10−14, which is a first promising result for the future of the project.