Résumé

Le projet « balance du watt » propose de relier la définition du kilogramme à la constante de Planck. La pesée de la masse impliquée nécessite une détermination de l’accélération de la pesanteur g avec une exactitude meilleure que 10-8. Les travaux résumés dans cet article visent à réaliser cette détermination à l’aide d’un gravimètre atomique et d’un site gravimétrique dédié.

Mots clés

gravimétrie
cartographie gravimétrique
modélisation gravimétrique
interférométrie atomique
balance du watt

Résumé

Le CNES, le LKB et le SYRTE développent une horloge à atomes froids de très hautes performances, appelé PHARAO, dont la conception est optimisée pour des applications spatiales. Le signal d’horloge est référencé sur la mesure de la fréquence de la transition hyperfine du césium qui réalise la seconde. Cette transition est induite sur un nuage d’atomes froids (1 µK) de césium en mouvement dans une cavité de Ramsey. Le choix de la vitesse moyenne du nuage, ajustable sur 2 ordres de grandeurs (5 cm·s-1–5 m·s-1), permet grâce à l’apesanteur d’explorer une large gamme de temps d’interaction et d’analyser les performances ultimes de l’horloge. Un modèle d’ingénierie de l’horloge a été construit pour valider cette nouvelle architecture et a été testé au sol pour rechercher le moindre défaut de fonctionnement. Bien évidemment, au sol, les performances sont réduites puisque le mouvement des atomes froids est soumis à l’accélération de la pesanteur. Nous mesurons cependant une stabilité relative de fréquence de 3,3×10-13t-1/2. Les effets systématiques les plus importants sont analysés et le bilan d’incertitude global s’élève à 1,63 × 10-15. Des comparaisons de fréquence avec l’étalon primaire de fréquence du SYRTE, la fontaine mobile FOM, ont donné des écarts de fréquence inférieurs à 2 × 10-15. La qualification spatiale qui concerne essentiellement les aspects mécaniques et thermiques a été étudiée sur un modèle (Modèle Structurel et Thermique) représentatif mais non opérationnel de l’horloge. Cette qualification se fait en association avec des simulations numériques par éléments finis. De l’ensemble de tous ces résultats des évolutions ont été appliquées sur l’architecture pour construire le modèle de vol qui est maintenant en cours de réalisation. L’horloge PHARAO est un instrument clé de la mission spatiale Européenne ACES dont l’objectif central concerne la mesure de l’espace-temps pour tester les aspects fondamentaux de la physique.

Mots clés

PHARAO
ACES
HORLOGE
ATOMES FROIDS
MÉTROLOGIE TEMPS-FRÉQUENCE
PHYSIQUE FONDAMENTALE
ESPACE

Résumé

L’utilisation de la fibre optique pour la comparaison et la distribution de références ultrastables de fréquence s’est fortement développée ces dix dernières années. Le LNE-SYRTE et le LPL sont des laboratoires pionniers dans l’étude et le développement de ces techniques. La stabilité de fréquence et l’exactitude des liens optiques fibrés surpassent désormais les performances des méthodes classiques qui exploitent les satellites GPS ou géostationnaires. Dans cet article nous présentons une revue des méthodes et des résultats obtenus. Nous montrons également qu’il est possible d’utiliser les réseaux fibrés de l’internet pour réaliser la comparaison et la distribution des signaux métrologiques ultrastables sur de longues distances. La stabilité et l’exactitude de tels liens sur réseaux fibrés de l’internet sont aujourd’hui proches des limites que l’on peut attendre sur une fibre optique dédiée à cette application. Cette nouvelle technique ouvre la voie au déploiement au niveau national et international d’un réseau optique métrologique ultrastable.

Mots clés

TEMPS
FRÉQUENCE
LIEN OPTIQUE FIBRÉ
LASER STABLE

Résumé

Le kilogramme est la dernière unité du Système international d'unités (SI) encore définie par un artefact : le prototype international du kilogramme (International Prototype of the Kilogram ou IPK). En 100 ans, des comparaisons entre l'IPK, ses copies officielles et les prototypes nationaux ont montré une variation relative de masse de l'ordre de 5×10-8. Après un bref rappel sur l'unité de masse, cet article expose la nécessité de redéfinir le kilogramme. Il explique le choix de la constante de Planck h comme base d'une définition telle qu'envisagée par la CGPM en 2018. L'article présente les derniers résultats obtenus avec les balances du watt qui permettent aujourd'hui d'établir un lien entre h et une masse macroscopique avec des incertitudes relatives de quelques 10-8. Enfin, l'article présente la position adoptée en France par le laboratoire national de métrologie pour la " mise en pratique " du kilogramme et sa dissémination après sa redéfinition en 2018.

Mots clés

unité de masse
kilogramme
redéfinition du kilogramme
constante de planck
balance du watt

Résumé

Dans les horloges à réseau optique, des atomes froids confinés dans un piège dipolaire en forme de réseau sont interrogés par un laser ultrastable. Elles sont devenues les meilleurs étalons de fréquence car elles allient à la fois une résonance étroite dans le domaine optique, et donc grand facteur de qualité, et un grand nombre d’atomes interrogés simultanément. Dans cet article, nous présentons les derniers développements de ces horloges en termes de stabilité de fréquence et d’exactitude, en décrivant les résultats obtenus avec deux horloges à réseau optique au strontium développées au LNE-SYRTE.

Mots clés

MÉTROLOGIE DU TEMPS ET DES FRÉQUENCES
HORLOGES À RÉSEAU OPTIQUE
ATOMES FROIDS
LASERS ULTRASTABLES

Résumé

Nous présentons la nouvelle expérience de gyromètre à atomes froids du SYRTE mise en oeuvre depuis 2009. Cette expérience utilise une configuration en fontaine atomique et un interféromètre atomique à quatre impulsions lumineuses pouvant permettre d’atteindre une aire Sagnac d’au moins 11 cm2. Nous avons démontré une stabilité de 3 nrad·s−1 après 1 000 s de temps d’intégration, ce qui représente l’état de l’art pour un gyromètre à atomes froids. Nous décrivons ici les éléments essentiels de l’expérience et les principales perspectives d’amélioration prévues à court et moyen terme.

Mots clés

ATOMES FROIDS
capteur inertiel
interférométrie atomique

Les liens optiques cohérents par fibre optique permettent de transférer sur des distances continentales une référence de fréquence optique avec une stabilité et une exactitude surpassant de plusieurs ordres de grandeurs les méthodes satellitaires. Ce sont les seuls outils capables de comparer sans dégradation les étalons de fréquence optique de dernière génération.

Objectifs

Poursuivre l'implantation géographique de liens optiques métrologiques pour la comparaison des références de fréquences, en Europe

 

Comparaisons d’étalons de fréquence à ultra haute résolution sur des réseaux fibrés de télécommunication nationaux et européen

Permettre un raccordement direct par cette implantation aux étalons nationaux de temps et fréquence

Interconnecter les réseaux nationaux allemand, italien et anglais et ainsi faciliter la dissémination et la comparaison des références de fréquence

Résumé et premiers résultats

SIB-TF-13_Fig1
Carte des liaisons métrologique par fibre optique envisagées pour l'Europe ; en vert : liaisons existantes, en jaune : liaisons en cours de réalisation, en violet : liaisons envisagées à moyen terme.

Le niveau de performance des liaisons optiques permettraient de vérifier le bilan d’incertitude des étalons de fréquence les plus exacts, de mettre à jour des effets de relativité générale, et de tester les variations des constantes fondamentales. Les performances du système, déjà impressionnantes, peuvent encore être améliorées pour rendre encore plus sensibles ces tests de physique et de métrologie fondamentales. Les limites de performances des liens cohérents sont liées au temps de propagation de la lumière dans la fibre et aux bruits intrinsèques de l’instrumentation. Le projet LICORNE vise à améliorer la qualité de l’instrumentation des liens optiques cohérents, à mieux comprendre les limites fondamentales et techniques des liens, et à développer de nouvelles liaisons optiques cohérentes à l’échelle nationale et européenne. Ce projet intervient alors que le laboratoire, avec le soutien de RENATER, a mis au point et validé la technique des liens cascadés, qui nous permettent d’atteindre pratiquement le même niveau de performance mais sur un lien de 1100 km, et bientôt de 1500 km.

Ainsi, les principaux travaux du projet LICORNE porteront sur l’amélioration des techniques, en travaillant sur la sensibilité des interféromètres et à leur isolation thermique, et en travaillant vers des électroniques plus puissantes, plus agiles, et mieux intégrées. Il faudra également développer des méthodes de comparaisons de fréquence de type 2-voies (two-way), techniques alternatives à celle de la compensation active, en configuration uni-directionnelles et bi-directionnelles. De plus, l’équipe s’intéressera également au développement de méthodes de transfert double permettant l’envoi simultané de fréquence RF et optique. Enfin, pour valider les travaux sur les nouvelles techniques et méthode, l’équipe mènera une  campagne de comparaison entre les différents moyens de comparaison existant actuellement : liens satellitaires (TWSTFT, GNSS) et les liens cohérents fibrés.

Impacts scientifiques et industriels

  • Comparaisons par fibres optiques des étalons nationaux de fréquence à ultra haute résolution sur les réseaux de télécommunications européens.
  • Liaisons opérationnelles pour la dissémination des références de fréquences optiques et micro-ondes, en France et en Europe.

Partenaires

  • Laboratoire de Physique des Lasers (LPL)
  • REFIMEVE+
  • Labex First-TF
  • Observatoire de Nançay
  • PTB
  • INRIM
  • NPL
  • KRISS

Le LNE-SYRTE possède 6 horloges atomiques situées au meilleur niveau mondial : 3 horloges dans le domaine des fréquences micro-ondes (césium, et césium/rubidium pour l’une d’entre-elles), ayant une exactitude de 2 à 4×10-16 et une stabilité de quelques 10-14τ-1/2, et 3 horloges dans le domaine des fréquences optiques (2 au strontium et 1 au mercure) dont l’exactitude est maintenant proche de 10-17. Les développements successifs de ces horloges nécessitent des comparaisons régulières pour être validés au niveau métrologique, tant au niveau de la stabilité que de l’exactitude.

Les besoins du laboratoire LNE-SYRTE étaient donc de disposer de moyens de comparaison de fréquences dans le domaine optique, fonctionnant en continu et de manière quasi autonome.

Objectifs

Mesure de manière permanente des références de fréquences optiques du laboratoire, sans dégradation de stabilité et exactitude. 

Référencement aux étalons primaires des liens optiques fibrés existant entre le LNE-SYRTE et les laboratoires distants raccordés par lien fibré.

Génération d’un signal micro-onde utilisable comme oscillateur local pour les fontaines atomiques du laboratoire.

Résumé et premiers résultats

SIB-TF-11_Fig1
Laser femtoseconde au LNE-SYRTE.

Dans le contexte de plus en plus probable d’une nouvelle définition de la seconde basée sur une transition dans le domaine optique, assurer le suivi sur le long terme de cette nouvelle génération d’horloges permettra d’identifier leurs limites possibles et d’assurer la continuité du système SI.

De plus, afin de contribuer, sur de grandes échelles de temps, à des expériences de physique fondamentale (par exemple rechercher une possible dérive des constantes fondamentales, mener des tests d’invariance de Lorentz), ces moyens de comparaisons doivent pouvoir être utilisés sur une base quasi continue. Un exemple frappant est le suivi du ratio strontium/césium, qui a débuté il y a 15 ans et auquel participent désormais 6 laboratoires en plus du LNE-SYRTE, qui a d’ores et déjà permis de borner une éventuelle dérive des constantes fondamentales à mieux que 10-16/an. Il était donc crucial, dès 2011, de développer une structure pérenne afin d’avoir accès, à la demande, aux rapports de fréquence entre toutes les références du laboratoire.

Le projet SAMIROF avait donc pour vocation d’établir une architecture permanente et fiable pour connecter entre elles les 6 horloges atomiques du laboratoire et leur permettre de se comparer à distance à d’autres horloges, tout en s’adaptant au contexte de divers projets du laboratoire, en perpétuelle évolution. Il repose principalement sur le développement des chaînes de mesures de fréquence optique à l’aide de lasers femtosecondes.

Le travail a porté sur le bruit (stabilité) et sur l’exactitude (contrôle des biais dans les mesures de fréquence). Le dispositif développé est basé sur un peigne de fréquences, véritable « règle graduée » dans l’espace des fréquences, par rapport à laquelle il est facile de mesurer la fréquence des horloges atomiques. Le travail a été divisé en 2 parties bien distinctes : la connexion des horloges à cette chaîne, la fiabilisation et l’automatisation des mesures d’une part, et la validation des connexions et des performances métrologiques d’autre part.

Lors de la première phase, des liens optiques fibrés pour relier les différents oscillateurs ont été développés. Puis une grande partie du travail mené a été dédiée à l’automatisation du dispositif afin de vérifier par logiciel la validité de tous les paramètres. Après l’aménagement de la chaîne dans une salle dédiée, un réseau informatique local a été mis en place, il permet de communiquer avec le peigne de fréquence, l’ensemble des synthétiseurs de fréquence ajustables et les enregistreurs de données.

 

SIB-TF-11_Fig2

 

Lors de la deuxième phase, des logiciels de contrôle ont été programmés au laboratoire pour contrôler l’acquisition de données, les valider « à la volée » et les sauvegarder sans délai. Les multiples boucles d’asservissement analogiques nécessaires au fonctionnement d’une telle structure sont désormais surveillées par des systèmes digitaux qui ouvrent les boucles en cas de perte de verrouillage, recentrent les signaux et referment les boucles. Cet ensemble d’évolutions permet d’acquérir désormais un grand nombre de données sans avoir à les valider manuellement a posteriori. Ainsi, au fur et à mesure des développements, de nombreux exercices opérationnels ont eu lieu, en moyenne 3 par an. Ils ont permis de confirmer la réalité des performances métrologiques (accord au niveau de quelques 10–17 entre les horloges à atomes de strontium lors de comparaisons à distance LNE-SYRTE – PTB), et de démontrer que le Uptime (pourcentage du temps pendant lequel toute la chaîne fonctionne) atteignait désormais un chiffre supérieur à 95 %. Cette excellente fiabilité ouvre la perspective de disposer d’oscillateurs optiques dont la phase serait continuellement maîtrisée, ce qui pourrait permettre de réaliser les premiers prototypes d’échelles de temps purement optiques. Ces progrès ont d’ores et déjà permis au LNE-SYRTE d’être le premier laboratoire mondial à contribuer au TAI (Temps Atomique International) avec une calibration optique, pour simple observation pour le moment, effectuées par les deux horloges strontium du laboratoire.

Le projet SAMIROF a permis de s’adapter au contexte lié aux progrès des horloges et des moyens de comparaison, notamment la mise en fonctionnement, en 2015, du premier lien fibré international permettant de disséminer une porteuse optique ultrastable. Dans cet exemple, SAMIROF est le système qui fait la connexion entre les horloges du laboratoire et le lien fibré, et donc toutes les autres horloges qui y sont connectées.

Dans les années à venir, la pérennité de l’architecture développée va permettre de poursuivre les comparaisons, avec plusieurs objectifs :

  • contribution à des tests de physique fondamentale (invariance de Lorentz, possible dérive des constantes fondamentales...),
  • mesures pour les sciences de la Terre (détection d’anomalies géologiques ou sismiques),
  • participation aux travaux pour une possible redéfinition de la seconde SI (suivi à long terme des horloges et comparaisons des horloges optiques par rapport aux horloges micro-ondes).

Avec ses 6 horloges atomiques, conçues sur la base de quatre espèces différentes (césium, rubidium, strontium et mercure) et connectées en permanence par la chaîne SAMIROF, le LNE-SYRTE est l’un des tout premiers contributeurs sur le plan mondial au processus de révision de la définition de la seconde.

Impacts scientifiques et industriels

  • Mesure des rapports de fréquences entres toutes les horloges du LNE-SYRTE et des laboratoires externes.
  • Comparaisons d’horloges par lien fibré de grande distance (>1000 km),
  • Automatisation des traitements des mesures avec envoi de rapports très régulièrement permet de fournir un service de suivi à long terme de la stabilité des horloges comparées.

Publications et communications

ZHANG W., LOURS M., FISCHER M., HOLZWARTH R., SANTARELLI G. et LE COQ Y., “Characterizing a fiber-based frequency comb with electro-optic modulator”, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 59, 2012, 432.

ZHANG W., LI T., LOURS M., SEIDELIN S., SANTARELLI G. et LE COQ Y., “Amplitude to phase conversion of InGaAs PIN photodiodes for femtosecond lasers microwave signal generation”, Applied Physics B: Lasers and Optics, 106, 2012, 301.

LISDAT C., GROSCHE G., QUINTIN N., SHI C., RAUPACH S.M.F., GREBING C., NICOLODI D., STEFANI F., AL-MASOUDI A., DÖRSCHER S., HÄFNER S., ROBYR J.-L., CHIODO N., BILICKI S., BOOKJANS E., KOCZWARA A., KOKE S., KUHL A., WIOTTE F., MEYNADIER F., CAMISARD E., ABGRALL M., LOURS M., LEGERO T., SCHNATZ H., STERR U., DENKER H., CHARDONNET CH., LE COQ Y., SANTARELLI G., AMY-KLEIN A., LE TARGAT R., LODEWYCK J., LOPEZ O. et POTTIE P.-E., “A clock network for geodesy and fundamental science”, Nature Communications, 7, 12443 , 2016, ArXiv:1511.07735.

LODEWYCK J., BILICKI S., BOOKJANS E., ROBYR J.-L., SHI C., VALLET G., LE TARGAT R., NICOLODI D., LE COQ Y., GUÉNA J., ABGRALL M., ROSENBUSCH P. et BIZE S., “Optical to microwave clock frequency ratios with a nearly continuous strontium optical lattice clock”, Metrologia, 53, 2016, 1123ArXiv:1605.03878.

TYUMENEV R., FAVIER M., BILICKI S., BOOKJANS E., LE TARGAT R., LODEWYCK J., NICOLODI D., LE COQ Y., ABGRALL M., GUÉNA J., DE SARLO L. et BIZE S., “Comparing a mercury optical lattice clock with microwave and optical frequency standards”, New Journal of Physics, 18, 2016, 111003, ArXiv:1603.02026.

GOBRON O., JUNG K., GALLAND N., PREDEHL K., LE TARGAT R., FERRIER A., GOLDNER P., SEIDELIN S. et LE COQ Y., “Dispersive heterodyne probing method for laser frequency stabilization based on spectral hole burning in rare-earth doped crystals”, Opt. Express, 25, 2017, 15539-15548.

DELVA P., LODEWYCK J., BILICKI S., BOOKJANS E., VALLET G., LE TARGAT R., POTTIE P.-E., GUERLIN C., MEYNADIER F., LE PONCIN-LAFITTE C., LOPEZ O., AMY-KLEIN A., LEE W.-K., QUINTIN N., LISDAT C., AL-MASOUDI A., DÖRSCHER S., GREBING C., GROSCHE G., KUHL A., RAUPACH S., STERR U., HILL I.R., HOBSON R., BOWDEN W., KRONJÄGER J., MARRA G., ROLLAND A., BAYNES F.N., MARGOLIS H.S. et GILL P., “Test of special relativity using a fiber network of optical clocks”, Phys. Rev. Lett., 118, 2017, 221102, arXiv:1703.0442.

GUÉNA J., WEYERS S., ABGRALL M., GREBING C., GERGINOV V., ROSENBUSCH P., BIZE S., LIPPHARDT B., DENKER H., QUINTIN N., RAUPACH S.M.F., NICOLODI D., STEFANI F., CHIODO N., KOKE S., KUHL A., WIOTTE F., MEYNADIER F., CAMISARD E., CHARDONNET CH., LE COQ Y., LOURS M., SANTARELLI G., AMY-KLEIN A., LE TARGAT R., LOPEZ O., POTTIE P.-E. et GROSCHE G., “First international comparison of fountain primary frequency standards via a long distance optical fiber link”, Metrologia, 54, 2017, 348, ArXiv:1703.02892v2.

LE TARGAT R., LORINI L., GUROV M., ZAWADA M., GARTMAN R., NAGÓRNY B., LEMONDE P. et LODEWYCK J., “Comparison of two Strontium optical lattice clocks in agreement at the 10-16 level”, 26th European Frequency and Time Forum (EFTF), Göteborg, Suède, 24-26 avril 2012.

Les étalons atomiques de fréquences de haute performance (fontaines atomiques et horloges optiques) atteignent aujourd’hui des stabilités relatives de fréquence de l’ordre de 10-14 à une seconde (quelques 10-16 sur une journée) pour les fontaines et un ordre de grandeur de mieux pour les étalons optiques. L’exactitude pour les fontaines est de quelques 10-16 et les horloges optiques ont une exactitude de 10-17 (avec une stabilité à une seconde de l’ordre de 10-15 avec en perspective quelques 10-16). Ces performances impressionnantes vont bien au-delà des capacités de stabilité des systèmes de comparaison d’horloges à distance existants, limités aujourd’hui à 10-15 à un jour.

Objectifs

Réalisation de liens optiques fibrés pour la comparaison de fréquences ultrastables

Résumé et premiers résultats

SIB-TF-10_Fig1
Représentation des liens optiques pour la comparaison et la dissémination du temps entre horloges réparties sur le territoire national et européen.

Ce projet fait suite au travail pionnier du projet LO2 (Lien optique longue distance) consacré au développement d’un lien optique ultra-stable dédié au transfert d'une fréquence ultra-stable entre laboratoires distants sans aucune dégradation de ses performances de stabilité. Un lien optique utilise la propagation d'un laser stabilisé émettant autour de 1,55 μm dans des fibres optiques avec une correction active du bruit de phase induit par la propagation dans la fibre. Le résultat principal de LO2 a été la démonstration d'un lien optique multiplexé sur un réseau fibré de télécommunications dans lequel se propageaient simultanément les données Internet. Pour cela, le LNE-SYRTE a  étroitement collaboré avec le Réseau National pour la Technologie, l’Enseignement et la Recherche, RENATER. Ce nouveau type de lien optique est une avancée majeure car il permet d’utiliser le réseau de fibres optiques déjà existant entre chaque laboratoire pour les applications Internet.

Le projet ROME a les objectifs suivant  :

  • Etudier et réaliser des amplificateurs optiques fibrés dopées Erbium optimisés et pilotables à distance (permettant d’amplifier le signal).
  • Démontrer la faisabilité d’un lien optique fibré de 1 100 km Paris-Nancy-Paris ;
  • Réaliser une version améliorée de station de régénération optique ;
  • Réaliser et tester un lien Paris-Strasbourg-Paris de 1400 km environ avec 3 à 5 stations régénératrices ;
  • Démontrer le transfert simultané temps-fréquence sur porteuse optique ;
  • Etudier des méthodes de type 2-voies pour les comparaisons de fréquences optiques.

Un travail important a été réalisé afin de valider les amplificateurs fibrés permettant d’amplifier les signaux métrologiques, ainsi que les stations régénératrices où les signaux voient leurs dérives corrigées afin qu’ils conservent leurs caractéristiques de stabilité et d’exactitude.

SIB-TF-10_Fig2

Un premier lien cascadé de 1 100 km (ayant 4 stations régénératrices) à été réalisé du Laboratoire de Physique des Laser (LPL), situé à Villetaneuse, à Nancy puis un retour au LPL par un autre canal. Fort de cette démonstration, la station de Nancy a été déplacé à Strasbourg permettant au lien d’atteindre presque 1 500 km. Les résultats en termes de stabilité de fréquence montrent que pour les 3 liens (LPL-Nancy-LPL, LPL-Strasbourg-LPL et SYRTE-Strasbourg-SYRTE) le plancher des 10-18 est atteint après une centaine de secondes d’intégration et que celui des 10-19 est atteint au bout de 4 000 secondes (soit un petit peu plus d’une heure d’intégration).

Ainsi, ce projet a permis jusqu’à maintenant de démontrer des stabilités de liens de presque 1 500 km bien supérieures à celles des meilleures horloges optiques du monde et ouvre donc la voie à des comparaisons par liens fibrés des différentes horloges (fontaines atomiques et horloges optiques) des laboratoires de métrologie européen. Des comparaisons entre les horloges optiques du NPL (GB), du SYRTE (F) et de la PTB (DE) sont en cours de réalisation et font l’objet du projet LICORNE

Impacts scientifiques et industriels

  • Réaliser des liens fibrés permettant des comparaisons intercontinentales d’horloges,
  • Maitrise des stabilités pour disséminer le SI jusqu’aux utilisateurs.

Publications et communications

LOPEZ O., HABOUCHA A., CHANTEAU B., CHARDONNET C., AMY-KLEIN A.., et SANTARELLI G. , "Ultra-stable long distance optical frequency distribution using the Internet fiber network.",  Opt. Expr. 20, 2012, 23518-23526.

LOPEZ O., KANJ A., POTTIE P.E., ROVERA D., ACHKAR J., CHARDONNET CH., AMY-KLEIN A. et SANTARELLI G., "Simultaneous remote transfer of accurate timing and optical frequency over a public fiber network", Applied Physics B: Lasers and Optics, 2012, DOI: 10.1007/s00340-012-5241-0.

BERCY A., STEFANI F., LOPEZ O., CHARDONNET CH., POTTIE P.-E. et AMY-KLEIN A., “Two-way optical frequency comparisons at 5×10-21 relative stability over 100-km telecommunication network fibers”, Phys. Rev. A, 90, 2014, 061802(R), DOI: 10.1103/PhysRevA.90.061802.

STEFANI F., LOPEZ O., BERCY A., LEE W.-K., CHARDONNET CH., SANTARELLI G., POTTIE P.-E. et AMY-KLEIN A., “Tackling the Limits of Optical Fiber Links”, JOSA B, 32, 2015, 787, DOI: 10.1364/JOSAB.32.000787.

BERCY A., STEFANI F., LOPEZ O., POTTIE P.-E., CHARDONNET CH. AMY-KLEIN A. et SANTARELLI G, "Towards large scale metrological fibre network", EFTF-IFCS 2013, Prague, République Tchèque, 21–25 juillet 2013.

LOPEZ O., CHARDONNET CH., AMY-KLEIN A., KANJ A., POTTIE P.-E., ROVERA D., ACHKAR J. et SANTARELLI G., “Simultaneous remote transfer of accurate timing and optical frequency over a public fiber network”, Joint Meeting of the 26th European Frequency and Time Forum (EFTF) and the 2013 IEEE Frequency Control Symposium (FCS), Prague, République Tchèque, 21–25 juillet 2013.

RAUPACH S., KOCZWARA A., GROSCHE G., STEFANI F, LOPEZ O , AMY-KLEIN A., CHARDONNET CH., POTTIE P.-E, et SANTARELLI G., "Bi-directional optical amplifiers for long-distance fibre links", EFTF-IFCS 2013, Prague, République Tchèque, 21–25 juillet 2013.

LOPEZ O., POTTIE P.-E., CHANTEAU B, STEFANI F., BERCY A., CHARDONNET CH., SANTARELLI G. et AMY-KLEIN A., "Long distance ultra-stable frequency dissemination on a dedicated wavelength channel of a telecommunication network.",  CLEO 2013

POTTIE P.-E, LOPEZ O., KANJ A., ROVERA D., ACHKAR J., CHARDONNET CH., AMY-KLEIN A. et SANTARELLI G, "Time and Frequency comparisons with Optical Fiber Links", Journées des Systèmes de Référence Temps-Espace, 2013.

STEFANI F., BERCY A., LOPEZ O., AMY-KLEIN A. et POTTIE P.-E.,  "Theoretical and Experimental Investigation of Phase Noise Processes on Optical Fiber Links for Frequency Comparison and Dissemination", European Time and Frequency Forum, Neuchâtel, Suisse, 23-26 juin 2014.

KRONJÄGER J., MARRA G., LEE W.-K., POTTIE P.-E., AMY-KLEIN A., LOPEZ O., SPAHIC F., CALONICO D., ROBERTS G. et SCHNATZ H., “Towards an international optical clock comparison between NPL and SYRTE using an optical fibre network”, 8th Symposium on Frequency Standards and Metrology, Potsdam, Allemagne, 12-16 octobre 2015.

LOPEZ O et al., "Progress on a Cascaded Optical Link Between Paris and Strasbourg", European Time and Frequency Forum, Neuchâtel, Suisse, 23-26 juin 2014.

LOPEZ O et al., "Progress towards a metrological fiber wide-area network", 3rd VLBI workshop 2014

POTTIE P.-E. et al., « Vers la comparaison d’horloges optiques par liens optiques fibrés », Journée GRAM, Bordeaux, France, 3-4 avril 2014.

SCHNATZ H. et al., “NEAT-FT: the European Fiber Link Collaboration", https://www.ptb.de/emrp/neatft_home.html

Partenaires

  • Laboratoire de Physique des Lasers (LPL),
  • INRIM,
  • PTB
  • IDIL Fibres Optiques

Le projet de LAser Stabilisé sur Iode en Cavité (LASIC) porte sur la stabilisation en fréquence d’un laser Nd:YAG doublé en fréquence, sur une transition de l’iode moléculaire au voisinage de 532 nm. La vapeur d’iode est contenue dans une courte cellule en quartz scellée, refroidie et placée dans une cavité optique de faible finesse, fonctionnant sous ultravide.

Objectifs

Développement d’un étalon de fréquence, compact et robuste et très stable au voisinage de 532 nm

Résumé et résultats

IND-TF-02-Fig1

Le but de ce projet est la mise en place d’un dispositif instrumental compact, ultra stable en fréquence et susceptible de répondre à des besoins pour des applications spatiales. Le projet a été initié et principalement financé par le CNES, qui souhaitait répondre aux besoins de la mission spatiale LISA (Laser Interferometer Space Antenna) dédiée à la détection d’ondes gravitationnelles dans l’espace. Ce projet spatial implique un lien interférométrique longue distance utilisant la radiation infrarouge, alors que l’harmonique deux de cette radiation est utilisée pour sonder la vapeur d’iode pour les besoins de la stabilisation en fréquence.

IND-TF-02_Fig2
Stabilité de fréquence du laser asservi LASIC.

Habituellement, la stabilisation en fréquence de lasers Nd:YAG sur l’iode moléculaire est opérée en utilisant la technique d’absorption saturée basée sur deux faisceaux lasers contra-propageant dans une cellule d’iode. Cette approche a été développée dans de nombreux laboratoires de métrologie pour la mise en place d’étalons secondaires de fréquence transportables, notamment dans le cadre de la mise en pratique de la définition du mètre. Le recouvrement des faisceaux laser contra-propageant dans la vapeur d’iode a été clairement identifié comme un des paramètres importants limitant la stabilité de fréquence à long terme du laser asservi. L’utilisation d’une cavité en anneau, permet théoriquement d’améliorer cette stabilité de fréquence, le contraste des raies d’absorption étant proportionnel à la finesse de la cavité.

Les premières mesures, réalisées sur la cavité à l’air libre, ont montré des performances de stabilités relatives de fréquence à court terme de l’ordre de 8×10-14t-1/2, la dérive de fréquence observée après quelques dizaines de ms étant attribuée au dispositif laser asservi sur une fibre optique (qui permet d’effectuer le battement et la comparaison de stabilité de fréquence)

Après avoir réalisés ces expériences à l’air libre, une seconde cavité a été développée, prenant mieux en compte les aspects vibrationnels des supports miroirs, afin d’obtenir de nouvelles mesures sous vide poussé (~ 4×10-5 Pa). En comparant la fréquence asservie sur iode à celle d’un laser femtoseconde,  la stabilité de fréquence obtenue à 1 s est de 4×10-13. La différence de résultat entre les deux mesures (à l’air libre et sous vide poussé) est sans doute due à des spécifications non conformes d’un point de vue de la stabilité mécanique mais également du dispositif en anneau qui est susceptible d’introduire des fluctuations de recouvrement des faisceaux optiques.

Impacts scientifiques et industriels

  • Réalisation d’un étalon de fréquence au voisinage de 532 nm ;
  • Dispositif compact, adapté aux missions spatiales.

Publications et communications

TURAZZA O., ACEF O., AUGER G., HALLOIN H., DUBURCK F., PLAGNOL E., HOLLEVILLE D., DIMARCQ N., BINETRUY P., BRILLET A., LEMONDE P., DEVISMES E., PRAT P., LOURS M., TUCKEY P. et ARGENCE B., “Lasic-Cavity-enhanced molecular iodine laser frequency stabilization for space projects”, 38th COSPAR Scientific Assembly, Bremen, Allemagne, 15-18 juillet 2010.

Partenaires

  • Laboratoire AstroParticule et Cosmologie (APC) 
  • Observatoire de la Côte d’Azur (OCA-ARTEMIS)