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Jacques Millo

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. Plan. Motivations Lasers et cavités ultra-stables : conception et mesures

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Presentation Transcript

  1. 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. I Principe d’unehorlogeatomique 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

  5. I Exemplesd’horlogesatomiques Réseau optique (optique) Fontaine (micro-onde) Fonctionnement séquentiel Préparation Interrogation Détection 0 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. I Limite des horloges Bruit de projection quantique Fontaines : Réseau optique : Limite observée Réseau optique : Fontaines : Bruit de projection quantique Limité par le bruit du laser d’interrogation

  8. I Feuille de route Référence de fréquence optique Laser femtoseconde :Peigne de fréquence optique Signal micro-onde9 – 12 GHzUltra-stableBas bruit Ultra-stable / Bas bruit Transfert du bruit/stabilité de la référence optique en micro-onde Réaliser une référence optique Horloges micro-ondes 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. II Lasers ultra-stables 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. II Limites fondamentales • Bruit quantique : 10-20 (négligeable) • Bruit thermique (mouvement brownien) G dépend des prop. :SpacerSubstratTraitements Bruit de scintillation : • Miroirs en ULE : ~1×10-15 (substrat, L = 100 mm) • Miroirs en silice fondue : ~4×10-16 (traitement, L = 100 mm)

  12. II Limites techniques • 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. II Les vibrations Support en V Verticale Horizontale Sensibilitéestimée à : JILA PTB z JILA NPL

  14. Étude par élément finis II 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 MultiphysicsComsol)

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

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

  17. Sensibilité verticale II 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’indiceMinimise 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 Yb @ 1062,5 nmBande passante : ~500 kHz (AOM)Puissance : 4 µWFinesse : ~700 000Contraste : > 40%Sensibilité en puissance : ~100 Hz/µW

  21. Cavités réalisées II Lien optique LNE-SYRTE – LPL : 2 cavités horizontales, miroirs en ULE @1550 nm • Horloge Sr : 1 cavité horizontale, miroirs en silice @698 nm • OPUS : 1 cavité horizontale, miroirs en silice @1062.5 nm • Horloge Hg : 1 cavité verticale, miroirs en silice @1062.5 nm

  22. Bruit de fréquence II

  23. Stabilité de fréquence II 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 : ~4x10-16 @ 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)  3×10-15τ-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. III Performances des oscillateurs 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 élevéOscillateurs cryogéniques : très bas bruit mais très rares RF ou micro-onde Lasers ultra-stables : très bas bruit  Fréquence optique

  27. III Transfert de fréquenceoptique – micro-ondes • Lasers femtosecondesTitane:Saphir utilisés depuis ~10 ans : • Technologie mature • Bruit faible et bien maîtrisé • Taux de répétition élevés σy(1 s) < 10-15 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) ~ 10-14démontrée (PTB)

  28. III Peigne de fréquenceoptique 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 nm @ 1,55 μm (100 fs)

  29. PDH Laser Synthétiseur ÷64 Filtre de boucle Laserultra-stable Peigne de frequence Puissance diodes de pompe x2 Fréquenced’offset du peignef0estlibremaissoustraite de fb III Stabilisation du peigneoptique Filtrepassebande m × frep f - 2f

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

  31. III Caractérisation du signal micro-onde Bruit de phase -90 dB rad2/Hz @ 1Hz Stabilitémesurée 3,6x10-15@ 1s

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

  33. Oscillateurcryogénique Compteur de fréquence 11,932 GHz Laser fs à fibre @ 1,55 µm 11,932 GHz Signal d’horloge Diode Laser PDH Laser @ 1,55 μm Lien fibré 300m Porteuse optiqueCompensé en bruit Corrections de fréquence III Application à la fontaine Interrogation Horloge à fontaineatomique 9,192 GHz Synthèse de fréquence 11,98 GHz Synthèse de fréquence 11,932 GHz

  34. III Résultat Stabilité relative de fréquence Aucunedégradation de la stabilité 3,5x10-14τ-1/2 Fontaine atomique Laser fs – Osc. cryo. 2.9x10-15 @ 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 IV Référence optique commune :réjection du bruit Détection micro-onde : ~ -30 dBm en micro-onde @ 11,55 GHz pour ~10 mW optique

  37. Résultats : bruit de phase IV -108 dB rad2/Hz @ 1Hz Battementmicro-onde Référenceoptique Détection :photodiodeAmplificateur -10 dB sur tout le spectre

  38. Résultats : Stabilité IV Valeur moyenne : 2×10-20 Conversion optique micro-onde sans biais Par laser : ~2x10-16 @ 1-10s 2x10-19 @ 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)  3×10-15τ-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, DeepSpace Network Système tout fibré, bas bruit, compact et accordable en fréquence Applications spatiales et industrielles

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