LNE-SYRTE – Observatoire de Paris, France

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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 LNE-SYRTE – Observatoire de Paris, France

2 Plan Motivations Lasers et cavités ultra-stables : conception et mesures Génération du signal micro-onde et application à l’horloge Limites de la génération micro-onde Conclusions et perspectives

3 Plan Motivations Lasers et cavités ultra-stables : conception et mesures Génération du signal micro-onde et application à l’horloge Limites de la génération micro-onde Conclusions et perspectives

4 Principe d’une 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 Fréquence de transition atomique Micro-onde Optique Neutre Cs et Rb Hg, Sr, Ca, Mg et Yb Ion(s) Hg+ In+, Al+, Sr+, Yb+ et Ca+

5 Exemples d’horloges atomiques
Réseau optique (optique) Fontaine (micro-onde) Fonctionnement séquentiel Préparation Interrogation Détection Tc ~ 1 s Tc Temps morts  Contribution du bruit de l’oscillateur sur la stabilité de l’horloge

6 I Effet Dick Repliement de spectre dû à l’échantillonnage du bruit de fréquence de l’oscillateur d’interrogation par l’horloge Contribution majoritaire est à très basse fréquence Contribution : gm coefficients de Fourier de g(t) fc = 1/Tc  Réduire le bruit de l’oscillateur à basses fréquences ( f < ~20 Hz)

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

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

9 Plan Motivations Lasers et cavités ultra-stables : conception et mesures Génération du signal micro-onde et application à l’horloge Limites de la génération micro-onde Conclusions et perspectives

10 Verre dopé avec une faible dilation thermique (~ qq 10-9/K)
Lasers ultra-stables II Horloges optiques Générations de signaux micro-ondes à bas bruit de phase Transfert de références de fréquence par liens optiques fibrés Détection d’ondes gravitationnelles (VIRGO, LIGO, LISA) Tests de relativité Laser stabilisé en fréquence sur une cavité Fabry-Perot  Performances du laser dépendent de la cavité NPL 2008 Stabilités relatives de fréquence démontrées au niveau de 1×10-15 de 1 s – 100 s (NPL, JILA, NIST, PTB) Cavité ultra-stable : deux miroirs à haute finesse « spacer » généralement en ULE Verre dopé avec une faible dilation thermique (~ qq 10-9/K)

11 Limites fondamentales
II Limites fondamentales Bruit quantique : (négligeable) Bruit thermique (mouvement brownien) Bruit de scintillation : G dépend des prop. : Spacer Substrat Traitements Matériaux Qmeca ULE 6×104 Silice fondue 106 Miroirs en ULE : ~1×10-15 (substrat, L = 100 mm) Miroirs en silice fondue : ~4×10-16 (traitement, L = 100 mm)

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

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

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

15 II Design retenu x y z Longueur et diamètre : 100 mm Xc = 47 mm, Zc = 3 mm 4 « pastilles » en Viton : Epaisseur : 0,7 mm Surface : ~2 mm2

16 Méthode de mesure des sensibilités
II Sismo Table d’isolation a Laser Laser ultra-stable FFT

17 Sensibilité verticale
II Sensibilité verticale Simulations Sensibilité au positionnement très faible ~2x10-12 /(m.s-2) par mm

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

19 Enceinte à vide et écrans thermiques
II Cavité sous vide : Supprime les fluctuations d’indice Minimise les échanges thermiques 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

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

21 Cavités réalisées II Lien optique LNE-SYRTE – LPL : 2 cavités horizontales, miroirs en nm Horloge Sr : 1 cavité horizontale, miroirs en nm OPUS : 1 cavité horizontale, miroirs en nm Horloge Hg : 1 cavité verticale, miroirs en nm Directions Sensibilité [1/m.s-2] verticale ~3,5×10-12 horizontales ~1,4×10-11

22 II Bruit de fréquence

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

24 Lasers ultra-stables : résumé
II Cavités à 1062,5 nm : 1s , meilleure stabilité (L = 100 mm) Démonstration que les miroirs en silice fondue permettent un gain Stabilité long terme remarquable (design thermique optimisé) Application aux horloges Sr du LNE-SYRTE σy (τ)  3×10-15 τ-1/2

25 Plan Motivations Lasers et cavités ultra-stables : conception et mesures Génération du signal micro-onde et application à l’horloge Limites de la génération micro-onde Conclusions et perspectives

26 Performances des oscillateurs
III Bruit de phase de l’oscillateur permettant d’atteindre le bruit de projection quantique de l’horloge : -80 dB rad2/Hz à 1 Hz en f -3 σy(1 s) équivalent : 1×10-14 Oscillateurs à quartz : commercial mais bruit trop élevé Oscillateurs cryogéniques : très bas bruit mais très rares RF ou micro-onde Lasers ultra-stables : très bas bruit  Fréquence optique

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

28 Peigne de fréquence optique
III Peigne de fréquence optique Temporel t Trep n frep + f0 f0 frep = 1 / Trep Fréquentiel RF / Micro-onde Optique f 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
III Fréquence d’offset du peigne f0 est libre mais soustraite de fb Laser ultra-stable PDH Laser ÷64 Synthétiseur Filtre de boucle Puissance diodes de pompe Peigne de frequence x2 m × frep Filtre passe bande f - 2f

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

31 Caractérisation du signal micro-onde
III Caractérisation du signal micro-onde Bruit de phase -90 dB 1Hz 1s Stabilité mesurée

32 Application à la fontaine
III Stabilité limitée par le bruit de projection quantique : 3,5x10-14 τ-1/2 Oscillateur cryogénique à résonateur en saphir Interrogation Horloge à fontaine atomique 9,192 GHz Synthèse de fréquence 11,98 GHz Synthèse de fréquence 11,932 GHz

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

34 Aucune dégradation de la stabilité
Résultat III Stabilité relative de fréquence Aucune dégradation de la stabilité 3,5x10-14 τ-1/2 Fontaine atomique Laser fs – Osc. cryo. 1s

35 Plan Motivations Lasers et cavités ultra-stables : conception et mesures Génération du signal micro-onde et application à l’horloge Limites de la génération micro-onde Conclusions et perspectives

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

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

38 Conversion optique micro-onde sans biais
IV Résultats : Stabilité Valeur moyenne : 2×10-20 Conversion optique micro-onde sans biais 1-10s Par laser : 20 h

39 Plan Motivations Lasers et cavités ultra-stables : conception et mesures Génération du signal micro-onde et application à l’horloge Limites de la génération micro-onde Conclusions et perspectives

40 Conclusions Lasers / Cavités ultra-stables
Stabilité de 4×10-16 à 1 s par laser Bruit thermique : efficacité démontrée de la silice fondue Sensibilité thermique : réduction de l’effet par isolation thermique Vibrations : réduction significative des coefficients Comparaison entre horloges Sr : σy (τ)  3×10-15 τ-1/2 Génération de signaux micro-ondes Compatibilité avec une fontaines atomique à l’état de l’art Bruit résiduel de la génération micro-onde : 2×10-16 à 1 s Alternative aux oscillateurs cryogéniques

41 Perspectives Lasers / Cavités ultra-stables
Améliorer les performances pour réduire le bruit thermique : Longueur, traitements optiques, cryogénie, modes d’ordre élevés Développer l’aspect 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