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LNE-SYRTE – Observatoire de Paris, France Génération de Signaux Micro-Ondes pour la Métrologie à partir de Références et de Peignes de Fréquences Optiques.

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1 LNE-SYRTE – Observatoire de Paris, France Génération de Signaux Micro-Ondes pour la Métrologie à partir de Références et de Peignes de Fréquences Optiques Jacques Millo

2 Plan I.Motivations II.Lasers et cavités ultra-stables : conception et mesures III.Génération du signal micro-onde et application à lhorloge IV.Limites de la génération micro-onde V.Conclusions et perspectives 2

3 Plan I.Motivations II.Lasers et cavités ultra-stables : conception et mesures III.Génération du signal micro-onde et application à lhorloge IV.Limites de la génération micro-onde V.Conclusions et perspectives 3

4 Principe dune horloge atomique Fournir un signal utile fréquence stable et exacte (utilisation de transition atomique) Oscillateur macroscopique asservi en fréquence sur le maximum de la probabilité de transition atomique I Fréquence de transition atomique Micro-ondeOptique NeutreCs et RbHg, Sr, Ca, Mg et Yb Ion(s)Hg + In +, Al +, Sr +, Yb + et Ca + 4

5 T c ~ 1 s Exemples dhorloges atomiques I Fontaine (micro-onde) Réseau optique (optique) TcTc Fonctionnement séquentiel 0 5 Temps morts Contribution du bruit de loscillateur sur la stabilité de lhorloge

6 Effet Dick Repliement de spectre dû à léchantillonnage du bruit de fréquence de loscillateur dinterrogation par lhorloge Contribution : g m coefficients de Fourier de g(t) f c = 1/T c Contribution majoritaire est à très basse fréquence I 6 Réduire le bruit de loscillateur à basses fréquences ( f < ~20 Hz)

7 Limite des horloges Bruit de projection quantique I Fontaines :Réseau optique : Limite observée Bruit de projection quantique Fontaines : Réseau optique : Limité par le bruit du laser dinterrogation 7

8 Feuille de route Ultra-stable / Bas bruit Référence de fréquence optique Horloges optiques Horloges micro-ondes Signal micro-onde 9 – 12 GHz Ultra-stable Bas bruit Transfert du bruit/stabilité de la référence optique en micro-onde Laser femtoseconde : Peigne de fréquence optique Réaliser une référence optique I 8

9 Plan I.Motivations II.Lasers et cavités ultra-stables : conception et mesures III.Génération du signal micro-onde et application à lhorloge IV.Limites de la génération micro-onde V.Conclusions et perspectives 9

10 Lasers ultra-stables II Cavité ultra-stable : deux miroirs à haute finesse « spacer » généralement en ULE Verre dopé avec une faible dilation thermique (~ qq /K) Laser stabilisé en fréquence sur une cavité Fabry-Perot Performances du laser dépendent de la cavité Horloges optiques Générations de signaux micro-ondes à bas bruit de phase Transfert de références de fréquence par liens optiques fibrés Détection dondes gravitationnelles (VIRGO, LIGO, LISA) Tests de relativité Horloges optiques Générations de signaux micro-ondes à bas bruit de phase Transfert de références de fréquence par liens optiques fibrés Détection dondes gravitationnelles (VIRGO, LIGO, LISA) Tests de relativité Stabilités relatives de fréquence démontrées au niveau de 1× de 1 s – 100 s (NPL, JILA, NIST, PTB) 10 NPL 2008

11 Limites fondamentales II Miroirs en ULE : ~1× (substrat, L = 100 mm) Miroirs en silice fondue : ~4× (traitement, L = 100 mm) MatériauxQ meca ULE 6 × 10 4 Silice fondue 10 6 Bruit thermique (mouvement brownien) Bruit de scintillation : G dépend des prop. : Spacer Substrat Traitements 11 Bruit quantique : (négligeable)

12 Limites techniques II Vibrations Réduire le bruit sismique !! Miroirs en Silice fondue coeff. de dilation thermique ~10 -7 /K Stabilité de température de ~5 nK sur 1 s – 100 s Sensibilité à la température Réduire les coefficients de sensibilité k [1/(m.s -2 )] 12

13 Horizontale NPL PTB Les vibrations Sensibilité estimée à : II z Support en V JILA Verticale 13

14 Étude de la sensibilité (tous axes et rotation des miroirs) Étude statique, linéaires isotropes 2 Logiciels (Cast3m et Multiphysics Comsol) Étude de la sensibilité (tous axes et rotation des miroirs) Étude statique, linéaires isotropes 2 Logiciels (Cast3m et Multiphysics Comsol) Minimiser la variation de longueur de la cavité induite par une accélération Étude par élément finis II 14

15 Design retenu II x y z Longueur et diamètre : 100 mm X c = 47 mm, Z c = 3 mm 4 « pastilles » en Viton : Epaisseur : 0,7 mm Surface : ~2 mm 2 15

16 Méthode de mesure des sensibilités Laser Laser ultra- stable FFT Sismo Table disolation a II 16

17 Sensibilité verticale Sensibilité au positionnement très faible ~2x /(m.s -2 ) par mm II 17 Simulations

18 Sensibilités horizontales Sensibilité transverse bon accord entre mesure et simulations II 18 Sensibilité axiale est dun ordre de grandeur supérieur à la prédiction Compatible aux objectifs Non compris mais déjà observé Simulations

19 Enceinte à vide et écrans thermiques II Miroirs en Silice fondue : Haute sensibilité en température de la cavité (~5 nK) Double enceinte à vide 3 écrans thermiques Asservissement de T prévu Constante de temps de 4 jours Limite la dérive de fréquence à quelques dizaines de mHz/s Cavité sous vide : Supprime les fluctuations dindice Minimise les échanges thermiques 19

20 Montage expérimental II Laser à fibre dopée 1062,5 nm Bande passante : ~500 kHz (AOM) Puissance : 4 µW Finesse : ~ Contraste : > 40% Sensibilité en puissance : ~100 Hz/µW 20

21 Lien optique LNE-SYRTE – LPL : 2 cavités horizontales, miroirs en nm Cavités réalisées II 21 Horloge Hg : 1 cavité verticale, miroirs en nm Horloge Sr : 1 cavité horizontale, miroirs en nm OPUS : 1 cavité horizontale, miroirs en nm DirectionsSensibilité [1/m.s -2 ] verticale~3,5 × horizontales~1,4 ×

22 Bruit de fréquence II 22

23 Stabilité de fréquence Bruit thermique ? Dérives linéaires retranchées II Comparaison laser OPUS – laser Hg Comparaison laser Sr – horloge Sr 23 Temp. asservie Temp. OPUS libre Validation de la conception thermique

24 Cavités à 1062,5 nm : ~4x10 1s, meilleure stabilité (L = 100 mm) Démonstration que les miroirs en silice fondue permettent un gain Stabilité long terme remarquable (design thermique optimisé) Lasers ultra-stables : résumé II Application aux horloges Sr du LNE-SYRTE σ y (τ) 3× τ -1/2 24

25 Plan I.Motivations II.Lasers et cavités ultra-stables : conception et mesures III.Génération du signal micro-onde et application à lhorloge IV.Limites de la génération micro-onde V.Conclusions et perspectives 25

26 Performances des oscillateurs Bruit de phase de loscillateur permettant datteindre le bruit de projection quantique de lhorloge : Oscillateurs à quartz : commercial mais bruit trop élevé Oscillateurs cryogéniques : très bas bruit mais très rares RF ou micro-onde -80 dB rad 2 /Hz à 1 Hz en f -3 σ y (1 s) équivalent : 1× Lasers ultra-stables : très bas bruit Fréquence optique III 26

27 Transfert de fréquence optique – micro-ondes Lasers femtosecondes Titane:Saphir utilisés depuis ~10 ans : Technologie mature Bruit faible et bien maîtrisé Taux de répétition élevés III σ y (1 s) < démontrée (NIST) Peignes optiques basés sur les lasers femtosecondes fibrés : Grande stabilité de fonctionnement Disponibles commercialement Propriétés métrologiques peu connues et bruit (élevé ?) Manque de fiabilité fonctionnement long terme (qq heures) Fonctionnement quasi-continu (semaines) nécessaire aux fontaines σ y (1 s) ~ démontrée (PTB) 27

28 Peigne de fréquence optique III t Optique RF / Micro-onde f f rep = 1 / T rep T rep f0f0 n f rep + f 0 28 Temporel Fréquentiel Oscillateur à fibre dopée erbium pompé par diodes Fréquence de répétition 250 MHz Largeur spectrale 35 1,55 μm (100 fs) Oscillateur à fibre dopée erbium pompé par diodes Fréquence de répétition 250 MHz Largeur spectrale 35 1,55 μm (100 fs)

29 Stabilisation du peigne optique Fréquence doffset du peigne f 0 est libre mais soustraite de f b Peigne de frequence x2 ÷64 Synthétiseur Filtre de boucle Puissance diodes de pompe Laser ultra-stable PDH Laser III m × f rep Filtre passe bande 29 f - 2f

30 Caractérisation du signal micro-onde ~9,2GHz Laser fs à 1,55 µm Analyse: FFT / compteur 1,55 μm PDH ~9,2GHz Laser 830 nm 1,06 μm PDH Laser ultra-stable Hg III 30

31 -90 dB rad 2 1Hz Bruit de phase Caractérisation du signal micro-onde 3,6x10 1s Stabilité mesurée III 31

32 Application à la fontaine Horloge à fontaine atomique Synthèse de fréquence 11,98 GHz Synthèse de fréquence 9,192 GHz Stabilité limitée par le bruit de projection quantique : 3,5x τ -1/2 Oscillateur cryogénique à résonateur en saphir 11,932 GHz Interrogation III 32

33 Application à la fontaine Horloge à fontaine atomique Synthèse de fréquence 11,932 GHz 11,98 GHz Synthèse de fréquence 9,192 GHz Interrogation Corrections de fréquence Oscillateur cryogénique 11,932 GHz Compteur de fréquence Signal dhorloge Lien fibré 300m Porteuse optique Compensé en bruit Diode Laser Laser fs à 1,55 µm 11,932 GHz 1,55 μm PDH III 33

34 Résultat Fontaine atomique Laser fs – Osc. cryo. Aucune dégradation de la stabilité 2.9x10 1s Stabilité relative de fréquence III 34 3,5x τ -1/2

35 Plan I.Motivations II.Lasers et cavités ultra-stables : conception et mesures III.Génération du signal micro-onde et application à lhorloge IV.Limites de la génération micro-onde V.Conclusions et perspectives 35

36 Montage Référence optique commune : réjection du bruit Détection micro-onde : ~ -30 dBm en 11,55 GHz pour ~10 mW optique IV 36

37 Résultats : bruit de phase -108 dB rad 2 1Hz Battement micro-onde Référence optique Détection : photodiode Amplificateur -10 dB sur tout le spectre IV 37

38 Résultats : Stabilité ~2x s Par laser : 2x10 20 h Valeur moyenne : 2× Conversion optique micro- onde sans biais IV 38

39 Plan I.Motivations II.Lasers et cavités ultra-stables : conception et mesures III.Génération du signal micro-onde et application à lhorloge IV.Limites de la génération micro-onde V.Conclusions et perspectives 39

40 Conclusions Bruit thermique : efficacité démontrée de la silice fondue Sensibilité thermique : réduction de leffet par isolation thermique Vibrations : réduction significative des coefficients Stabilité de 4× à 1 s par laser Comparaison entre horloges Sr : σ y (τ) 3× τ -1/2 Génération de signaux micro-ondes Compatibilité avec une fontaines atomique à létat de lart Bruit résiduel de la génération micro-onde : 2× à 1 s Alternative aux oscillateurs cryogéniques 40 Lasers / Cavités ultra-stables

41 Perspectives 41 Lasers / Cavités ultra-stables Améliorer les performances pour réduire le bruit thermique : Longueur, traitements optiques, cryogénie, modes dordre élevés Développer laspect transportable / embarqué Par exemple : stabilisation sur un interféromètre fibré Génération de signaux micro-ondes Réduction du bruit à haute fréquence (augmenter la bande de contrôle) Radar, Synchronisation des accélérateurs de particules, VLBI, Deep Space Network Système tout fibré, bas bruit, compact et accordable en fréquence Applications spatiales et industrielles


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