Transfert spatial et frquentiel de rfrences de frquences

Transfert spatial et fréquentiel de références de fréquences Anne Amy-Klein, Equipe HOTES Laboratoire de Physique des Lasers, Université Paris 13, Institut Galilée, Villetaneuse 10/30/2021 Equipe HOTES - LPL 1

Plan de l’exposé 1. Introduction – Que signifie mesurer des fréquences – Pourquoi mesurer des fréquences 2. Transfert fréquentiel avec un laser femtoseconde 3. Transfert spatial avec un lien optique 4. Conclusion et perspectives 10/30/2021 Equipe HOTES - LPL 2

Qu’est-ce qu’une mesure de fréquence? § Mesures de fréquence = comparaison à une référence de fréquence 1 fontaine à Cs du LNE-SYRTE § Mesures absolues de fréquence = comparaison à un étalon primaire de fréquence § Définition de la s ou du Hz : écart hyperfin du niveau fondamental de fixé à 9, 192 631 770 GHz 133 Cs étalon primaire temps-fréquence ou « horloge » primaire stabilité sur 1 s : 2. 10 -14 exactitude : 8. 10 -16 (i. e. 20 µHz) 10/30/2021 Equipe HOTES - LPL 3

Comparaison avec une référence de fréquences 1 § 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… 10/30/2021 Equipe HOTES - LPL 4

1 Les références de fréquence Exemples ou utilisation Stabilité à 1 s / 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 Spectroscopie Atomes froids/ Condensats Selon l’objectif 10 -10 à 10 -15 Moyen à difficile 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 10/30/2021 Equipe HOTES - LPL 5

Pourquoi mesurer des fréquences? 1 Unité de temps-fréquence : réalisée avec la meilleure incertitude § Métrologie – Développement des horloges – Mesures des constantes (Ry. . ) Ø Comparaison d’horloges § Test de physique fondamentale – Stabilité des constantes – Principe d’équivalence § § Spectroscopie Astrophysique Physique des particules Géodésie 10/30/2021 Ø Synchronisation / Ø Transfert d’horloges aux différents points de mesures Equipe HOTES - LPL 6

Comment mesurer des fréquences RF ou microondes (< 10 GHz) 2 § 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 !! 10/30/2021 Equipe HOTES - LPL 7

Comment mesurer des fréquences optiques 2 § 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 laser fs 1014 -1015 Hz 103 -109 Hz Prix Nobel 2005 T. Hänsch et J. Hall Laser fs du LPL 10/30/2021 Equipe HOTES - LPL 8

Le laser fs : une « règle » de fréquences 2 Laser fs : suite de pulses de durée ~ 20 fs et séparés de 1/fr Fréquence à mesurer fr Transformée de Fourier f 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 10/30/2021 Equipe HOTES - LPL 9

• Frequency domain I(f) fr 0 d fp = pfr + d f • Temporal domain E(t) t Dephasing of mode p between 2 pulses 10/30/2021 10

Détection des 2 paramètres du peigne · fr beatnote f Laser fs Fast Photodiod ·d I(f) d fr 2 fr 3 fr RF spectrum analyser x 2 fr f 0 f 2 n = 2 n fr. + d 2 fn = 2(n fr. + d) d 10/30/2021 Equipe HOTES - LPL 11

Système autoréférencé Pump Laser Intensity fs Laser (via EOM ou AOM) PZT Comb spacing fr Comb offset Microstructured optical Fibre Self referenced Continuum Visible (f 2 n) l/2 ( 500 nm) Infrared (fn) LBO 10/30/2021 l/2 2 fn Equipe HOTES - LPL d Grating 12

Ce qu’il faut pour mesurer une fréquence 2 § Un laser préstabilisé en fréquence (sur cavité) – Car mesurer la fréquence d’un laser qui gigote trop est quasiimpossible § 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) 3 10 -12 Etalon primaire national 10 -14 10/30/2021 Equipe HOTES - LPL qq 10 -16 13

Transfert spatial de références de fréquence 3 § 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 10/30/2021 Equipe HOTES - LPL 14

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) Ref : 100 MHz LO 100 MHz MA DL 1. 55 µm 100 MHz PLL § Transfert direct d’une référence de fréquence optique – Phase du Laser à 1, 55 µm = Référence (de fréquence) DL 1, 55 µm Référence de fréquence PLL Corr 10/30/2021 DL 1, 55 µm Equipe HOTES - LPL 15

3 Transfert tout optique § Pour les applications optiques § Pour le transfert à longue distance – Atténuation /2 en d. B (sensible à E et non à E 2) § Meilleure détection du bruit de propagation § Bruit apporté par la propagation – Le temps de propagation dépend du chemin optique n. L – n. L fluctue avec les fluctuations thermiques, acoustiques… – Cela induit une fluctuation du temps de propagation ≈ fluctuation de phase du laser ≈ fluctuation de fréquence du laser 10/30/2021 Nécessité de contrôler ce bruit de phase Equipe HOTES - LPL 16

3 Compensation du bruit de phase § Méthode « Round-trip » Ultra-stable 1. 542 µm laser LOCAL Shifteurs acousto-optiques Lignes à retard optique (fibres sur PZT ou dans four) Noise correction 2 FP Accumulated Phase noise FP REMOTE Round-trip noise detection Link instability measurement 10/30/2021 Il faut 2 liens // ou 1 lien en « boucle » Equipe HOTES - LPL 17

3 Lien SYRTE-LPL Syrte Local Compensation system Laser 1. 55 mm 2(fp+fc)=0 Phase correction fc 43 km AOM 1 40 MHz PD 1 150 MHz Polarisation control PD 2 110 MHz Link stability Measurement fp+fc=0 phase perturbation VCO fp Optical Circulator LPL 43 km AOM 2 70 MHz Remote Montage entièrement fibré 10/30/2021 Equipe HOTES - LPL 18

3 Les limites § 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 (f. T)2 • Pour L=100 km, T=0, 5 ms 10/30/2021 Equipe HOTES - LPL 19

Performance en transfert optique sur 108 km 10/30/2021 Equipe HOTES - LPL 20

3 Etat de l’art § Plusieurs liens dédiés § USA – 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 10/30/2021 Equipe HOTES - LPL 21

3 Comment aller + loin? § 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) 10/30/2021 Equipe HOTES - LPL 22

3 Comment aller partout? § 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 10/30/2021 Equipe HOTES - LPL 23

3 Points clés § 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 – – 10/30/2021 (optical add drop multiplexer) pour l’insertion/extraction du signal Composants commerciaux standards (filtres 100 GHz) Bidirectionnels Isolation > 25 d. B (canaux adjacents) Pertes < 1 d. B OADM Equipe HOTES - LPL 24

3 Première démonstration Paris-Villetaneuse-Aubervillliers Observatoire de Paris WAN RENATER MAN Reference laser Corr Comparison l 1 l 2 2 x 43 km l 1 : ITU 44 l 2 : ITU 34 WDM platform l 1 + l 2 2 x 11 km OADM l 1 + l 2 Université Paris 13 10/30/2021 l 2 Equipe HOTES - LPL l 1 OADM Aubervilliers 25

3 Un succès total § 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 4 x 10 -16 sur 1 s et 8 x 10 -20 sur 3 h – Performances suffisantes pour les applications scientifiques visées • Comparaison d’horloges 10/30/2021 Equipe HOTES - LPL 26

Perspectives : liaison + longue distance 4 § 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 OADM 2 OADM 1 réamplification RENATER 10/30/2021 Equipe HOTES - LPL 27

4 Liaison vers l’Allemagne ? ? Objectif : rejoindre le PTB (Braunschweig) (horloges allemandes) Interxion Noeud Nancy Coulommiers 121 km -34 d. B 99 km 94 km -25 d. B -24 d. B 103 km -29 d. B 85 km -20 d. B Telehouse 2 Nogent L’Artaud 35 km -9 d. B Condé/ Marne 103 km -27 d. B Noeud Strasbourg 92 km -25 d. B 91 km -27 d. B Noeud Kehl Noeud Reims En cours de négociation 10/30/2021 Equipe HOTES - LPL 28

4 Liaison Ile de France ? ? LPL-Paris 13 Interxion-1 (Aubervilliers) Telehouse-2 (Paris) LKB-Paris 6 Jussieu APC-Paris 7 Syrte-Obs Paris Orsay LCFIO-Palaiseau Cachan Liaison Renater LPPM Autres réseaux scientifiques LKB-Evry 10/30/2021 Reims-Nancy. Strasbourg-Kehl Equipe HOTES - LPL Fibres noires 29

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 10/30/2021 Equipe HOTES - LPL 30

4 Les acteurs LPL : Equipe HOTES – – – A. Goncharov (Novosibirsk) A. Amy-Klein C. Daussy C. Chardonnet O. Lopez F. Kéfélian (post-doc) LNE-Syrte – – 10/30/2021 G. Santarelli H. Jiang M. Lours P. Lemonde Laser fs Lien optique Equipe HOTES - LPL 31