Transfert spatial et fréquentiel de références de fréquences Sujet à la fois très fondamental et très technologique Anne Amy-Klein, Equipe HOTES Laboratoire de Physique des Lasers, Université Paris 13, Institut Galilée, Villetaneuse 19/09/2018

Plan de l’exposé Introduction Que signifie mesurer des fréquences Pourquoi mesurer des fréquences Transfert fréquentiel avec un laser femtoseconde Transfert spatial avec un lien optique Conclusion et perspectives 19/09/2018

Qu’est-ce qu’une mesure de fréquence? 1 Qu’est-ce qu’une mesure de fréquence? fontaine à Cs du LNE-SYRTE Mesures de fréquence = comparaison à une référence de fréquence Mesures absolues de fréquence = comparaison à un étalon primaire de fréquence Définition de la s ou du Hz : écart hyperfin du niveau fondamental de 133Cs fixé à 9,192 631 770 GHz étalon primaire temps-fréquence ou « horloge » primaire stabilité sur 1 s : 2.10-14 exactitude : 8.10-16 (i.e. 20 µHz) 19/09/2018

Comparaison avec une référence de fréquences 1 Comparaison avec une référence de fréquences Transfert spatial Les références ne sont en général pas transportables et ne sont pas toutes au même endroit Exemple : les fontaines à Cs n’ont jamais été comparées directement, faute de pouvoir les déplacer Transfert fréquentiel Les références peuvent avoir des fréquences très différentes Exemple : comment comparer un laser à 1,064 µm stabilisé sur une cavité à un autre laser à 852 nm ou un signal de quartz à 10 MHz… Présentation : En pratique : comment mesurer une fréquence ???? 19/09/2018

Les références de fréquence 1 Les références de fréquence Exemples ou utilisation Stabilité à 1s / exactitude Cout / Complexité Quartz Synthétiseur… 10-8 à 10-10 Faible Laser stabilisé sur cavité Oscillateur local Spectroscopie Selon la cavité : 10-12 à 10-15 Moyen à difficile Laser stabilisé sur atome ou molécule Atomes froids/ Condensats Selon l’objectif 10-10 à 10-15 Horloges primaires Métrologie VLBI/ALMA RAFS 10-11 GPS 10-10 à 10-12 Maser H 10-13 Fontaine à Cs 10-16 Commercial Énorme 19/09/2018

Pourquoi mesurer des fréquences? 1 Pourquoi mesurer des fréquences? Unité de temps-fréquence : réalisée avec la meilleure incertitude Métrologie Développement des horloges Mesures des constantes (Ry..) Test de physique fondamentale Stabilité des constantes Principe d’équivalence Spectroscopie Astrophysique Physique des particules Géodésie Comparaison d’horloges Synchronisation / Transfert d’horloges aux différents points de mesures 19/09/2018

Comment mesurer des fréquences RF ou microondes (< 10 GHz) 2 Comment mesurer des fréquences RF ou microondes (< 10 GHz) Mesure directe avec des compteurs de fréquence Calibration de l’horloge du compteur Avec une horloge interne (quartz) qui a été calibrée par rapport à un étalon primaire Avec signal GPS Ou avec un « oscillateur local » : signal de référence obtenu à partir d’un étalon primaire Exemple : signal à 1 GHz développé par le LNE-SYRTE À partir de la fontaine à Cs + un oscillateur cryogénique à cristal de Saphir + un maser à hydrogène Exactitude : 10-15, stabilité de fréquence 10-14 : exceptionnel !! 19/09/2018

Comment mesurer des fréquences optiques 2 Comment mesurer des fréquences optiques Jusqu’en 2000 : extrêmement difficile ! Comparaison « pas à pas » de la fréquence optique avec la référence RF Réservée aux laboratoires de métrologie La révolution des lasers femtosecondes fréquence optique ----------------- fréquence RF 1014-1015 Hz 103-109 Hz laser fs Prix Nobel 2005 T. Hänsch et J. Hall Laser fs du LPL 19/09/2018

Le laser fs : une « règle » de fréquences 2 Le laser fs : une « règle » de fréquences Laser fs : suite de pulses de durée ~ 20 fs et séparés de 1/fr Fréquence à mesurer f fr Transformée de Fourier D t f = fp + D 50 THz fr : « graduation » fine de la règle ( fr ~ 1 GHz) fréquence optique ~ pfr où p est un nombre entier ~ 104 à 106 19/09/2018

f t Frequency domain fr Temporal domain d I(f) fp = pfr + d E(t) fp = pfr + d Temporal domain E(t) t Dephasing of mode p between 2 pulses

Détection des 2 paramètres du peigne fr beatnote Laser fs f Fast Photodiod fr 2fr 3fr RF spectrum analyser d f fr x2 f2n = 2n fr. + d 2fn = 2(n fr.+ d) I(f) 19/09/2018

Système autoréférencé PZT Intensity (via EOM ou AOM) Pump Laser fs Laser Comb spacing Comb offset fr Microstructured optical Fibre Self referenced Continuum Visible (f2n) d l/2 l/2 ( 500 nm) Infrared (fn) LBO 2fn Grating 19/09/2018

Ce qu’il faut pour mesurer une fréquence 2 Ce qu’il faut pour mesurer une fréquence Un laser préstabilisé en fréquence (sur cavité) Car mesurer la fréquence d’un laser qui gigote trop est quasi-impossible Une chaîne de mesures avec un laser femtoseconde Une référence de fréquence RF ou optique Incertitude de la mesure Incertitude de la référence de fréquence > Stabilité sur 10 s Exactitude Signal GPS commercial 310-10 3  10-12 Horloge Rb ou Cs (commerciale) Etalon primaire national 10-14 qq 10-16 19/09/2018

Transfert spatial de références de fréquence 3 Transfert spatial de références de fréquence Pour des mesures de très haute sensibilité Horloge transportable moins performante cher Transfert par satellites Performances limitées GPS : au mieux 10-15 sur 1 jour Idem pour liens satellitaires bidirectionnels Transfert par fibre optique Problème du bruit de transmission 19/09/2018

Transfert par fibre optique 3 Transfert par fibre optique Modulation analogique RF ou MW de la porteuse laser Transfert d’un laser à 1,55 µm modulé en amplitude à la fréquence de référence (typiquement 100 MHz, 1 GHz ou 10 GHz) Transfert direct d’une référence de fréquence optique Phase du Laser à 1,55 µm = Référence (de fréquence) LO 100 MHz Ref : 100 MHz 100 MHz DL 1.55 µm PLL MA DL 1,55 µm PLL Référence de fréquence Corr 19/09/2018

Transfert tout optique 3 Transfert tout optique Pour les applications optiques Pour le transfert à longue distance Atténuation /2 en dB (sensible à E et non à E2) Meilleure détection du bruit de propagation Bruit apporté par la propagation Le temps de propagation dépend du chemin optique nL nL fluctue avec les fluctuations thermiques, acoustiques… Cela induit une fluctuation du temps de propagation ≈ fluctuation de phase du laser ≈ fluctuation de fréquence du laser  Nécessité de contrôler ce bruit de phase 19/09/2018

Compensation du bruit de phase 3 Compensation du bruit de phase Méthode « Round-trip » Shifteurs acousto-optiques Lignes à retard optique (fibres sur PZT ou dans four) Ultra-stable 1.542 µm laser Noise correction Accumulated Phase noise Link instability measurement  Il faut 2 liens // ou 1 lien en « boucle » 2FP FP REMOTE LOCAL Round-trip noise detection 19/09/2018

Lien SYRTE-LPL 3 Syrte LPL Montage entièrement fibré f 2( f + )=0 f f Local Compensation system Laser f c 2( f p + c )=0 Phase correction 43km 1.55 m m AOM 1 40 MHz 40 MHz phase perturbation PD 1 150 MHz Polarisation control VCO VCO LPL f f p PD2 110 MHz f p + c =0 Optical Circulator 43 km AOM 2 70 MHz Link stability Measurement Remote Montage entièrement fibré 19/09/2018

Les limites 3 Bruit de propagation/bruit de détection Bruit de fréquence du laser (longueur de cohérence > L) Temps de retard de la correction : Bande passante limitée : On ne peut pas corriger des bruits + rapides que le temps de propagation aller-retour T Réjection du bruit limitée : gain (fT)2 Pour L=100 km, T=0,5 ms 19/09/2018

Performance en transfert optique sur 108 km 19/09/2018

Etat de l’art 3 Plusieurs liens dédiés USA Germany - PTB Japan : NIST-JILA : 76 km urban link + 175 km spool Germany - PTB 140 km Braunsweig-Hannover Operational 1000 km Braunsweig Munich, non opérationnel Japan : Lien Tokyo (Katori) – Labo Métrologie : 110 km En développement UK NPL preliminary link study Italy Inrim (Turin) optical link study founded 19/09/2018

Comment aller + loin? 3 Scinder la transmission en plusieurs segments Installer des stations « régénératrices » entre chaque segment 3 fonctions Renvoi vers station N-1 Correction lien N – N+1 AOM PD Signal venant de N-1 Vers N+1 AOM Laser stabilisé AOM PD « Répéteur » (Amplification et filtrage) 19/09/2018

Comment aller partout? 3 Utiliser le réseau Internet fibré Fibres non dédiées Par réseau RENATER : Réseau National pour la Technologie, l’Enseignement et la Recherche Multiplexage en longueur d’onde Utilisation d’un canal spécifique de la grille ITU Transmission en parallèle Flux numérique du réseau Renater Signal ultra-stable de référence 19/09/2018

Points clés 3 Propagation bidirectionnelle du signal de référence Pour la correction du bruit rapportée par la fibre A 2 fréquences très légèrement décalées (~ 0.1 GHz) Propagation continue du signal de référence Nécessité d’un transfert purement optique Sur le même canal d’un bout à l’autre OADM (optical add drop multiplexer) pour l’insertion/extraction du signal Composants commerciaux standards (filtres 100 GHz) Bidirectionnels Isolation > 25 dB (canaux adjacents) Pertes < 1dB OADM 19/09/2018

Première démonstration Paris-Villetaneuse-Aubervillliers 3 Première démonstration Paris-Villetaneuse-Aubervillliers Observatoire de Paris WAN RENATER MAN Reference laser Corr Comparison WDM platform WDM platform l2 l1 l1 l2 l1 + l2 2 x 43 km 2 x 11 km l1 l1 : ITU 44 l2 : ITU 34 l1 + l2 OADM OADM Université Paris 13 Aubervilliers 19/09/2018

Un succès total 3 Contrôle continu du taux d’erreur Aucune erreur détectée Du point de vue scientifique Les fibres du réseau de Paris 13 sont plus bruyantes que les fibres dédiées SYRTE-LPL Bruit linéique 10 fois supérieur Compensation réussie du bruit de phase de la liaison Résolution 4x10-16 sur 1 s et 8x10-20 sur 3 h Performances suffisantes pour les applications scientifiques visées Comparaison d’horloges 19/09/2018

Perspectives : liaison + longue distance 4 Perspectives : liaison + longue distance Négociations RENATER (et ses équipementiers) Equipements nécessaires Plusieurs stations régénératrices Bypass au niveau des EDFA ou des nœuds du réseaux Car les EDFA sont unidirectionnels réamplification bidirectionnelle + décalage en fréquence (100 MHz) AOM OADM1 OADM2 réamplification RENATER 19/09/2018

Liaison vers l’Allemagne ?? 4 Liaison vers l’Allemagne ?? Objectif : rejoindre le PTB (Braunschweig) (horloges allemandes) Interxion Nancy Strasbourg Coulommiers Noeud Noeud Noeud Kehl 121 km -34 dB 99 km -25 dB 94 km -24 dB 103 km -27 dB 92 km -25 dB 91 km -27 dB 103 km -29dB 85 km -20 dB 35 km -9 dB En cours de négociation Noeud Noeud Nogent L’Artaud Condé/ Marne Telehouse2 Reims 19/09/2018

Liaison Ile de France ?? 4 Interxion-1 (Aubervilliers) Telehouse-2 (Paris) Reims-Nancy- Strasbourg-Kehl LPL-Paris13 LKB-Paris6 Jussieu APC-Paris7 Syrte-Obs Paris Orsay Cachan LCFIO-Palaiseau Liaison Renater LPPM Autres réseaux scientifiques LKB-Evry Fibres noires 19/09/2018

Mesure de l’effet Sagnac?? 4 Mesure de l’effet Sagnac?? Réseau optique en boucle = gyromètre géant Déphasage sur un aller Où q lattitude, S surface du gyromètre Sensibilité Aux faibles variations de la rotation terrestre Aux déformations de la surface terrestre 19/09/2018

Les acteurs 4 Laser fs Lien optique LPL : Equipe HOTES LNE-Syrte A. Goncharov (Novosibirsk) A. Amy-Klein C. Daussy C. Chardonnet O. Lopez F. Kéfélian (post-doc) LNE-Syrte G. Santarelli H. Jiang M. Lours P. Lemonde Laser fs Lien optique 19/09/2018