Projet ANR-11-BS04-0009 – LIOM : Lien optique multiplexé pour la métrologie et la physique fondamentale
Programme : Blanc - SIMI 4 - Physique (Blanc SIMI 4)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Madame Anne AMY-KLEIN (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR OUEST ET NORD)
Partenaires : Systèmes de Reference Temps-Espace; Laboratoire de Physique des Lasers
Montant : 381575.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 36 mois
Résumé : Dissémination par fibre optique d’une référence ultrastable de fréquenceUn 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 propagation. Nous avons développé ces liens optiques sur le réseau académique national RENATER en parallèle du trafic de données Internet. Notre projet consiste à étudier les limites fondamentales et technologiques de ces liens, à les étendre sur des très grandes distances, et à démontrer de premières applications du signal transféré.
Dissémination par les fibres optiques du réseau Internet d’une référence ultrastable de fréquence pour les mesures de très haute précisionLa métrologie des fréquences s’est fortement développée depuis 15 ans et a bénéficié des avancées dans les domaines du refroidissement et piégeage d’atomes (prix Nobel 1997) et des comparaisons d’horloges par peigne de fréquences (prix Nobel 2005). Les meilleures horloges atteignent actuellement une exactitude de 10-18 en valeur relative et ces performances impressionnantes ont font des outils de choix pour des tests de physique fondamentale. Ainsi, les comparaisons de différents types d’horloges permettent de mesurer une éventuellement variation des constantes fondamentales, comme la constante de structure fine.Dans ce contexte, le défi actuel est de distribuer une référence ultrastable de fréquences à une large communauté d’utilisateurs pour des comparaisons d’horloges entre laboratoires distants ou pour des mesures de très haute sensibilité, en physique atomique et moléculaire par exemple. Dans ce projet, nous démontrons que nous pouvons distribuer une référence de fréquence par fibre optique avec une résolution meilleure que 10-18 sur plusieurs centaines de km. Cette performance dépasse d’au moins deux ordres de grandeur la résolution accessible avec des moyens conventionnels (de type satellitaire) de transfert de fréquence.
Dissémination par les fibres optiques du réseau Internet d’une référence ultrastable de fréquence avec une compensation active du bruit de propagationNotre dispositif de transfert de fréquence consiste à transférer par fibre optique un signal ultrastable d’un laboratoire à un autre, tout en compensant activement le bruit de propagation induit dans la fibre optique. Nous avons en particulier étudié  des liens optiques utilisant les fibres optiques du réseau de télécommunications et constitué de plusieurs segments relies par des stations qui filtrent et amplifient le signal ultrastable. Avec ces stations, capables de fonctionner de façon autonome et avec un très bas bruit, des liens optiques de plusieurs centaines de km ont été demontrés. Nous avons également étudié comment extraire le signal ultrastable le long du lien principal, et comment un signal de synchronisation temporal peut être transféré simultanément sur le lien optique.Nous avons également étudié les limites fondamentales de stabilité accessibles avec cette technique. Ces limites proviennent d’effets liés au temps de propagation dans la fibre, à la phase Sagnac ou encore à la dispersion de mode de polarisation.  Finalement, nous avons démontré que le signal ultrastable transféré par lien optique peut être utilisé pour stabiliser la fréquence d’un laser émettant dans le moyen infra-rouge à l’aide d’un peigne de fréquences.
Résumé de la soumission : Ce projet fait suite au travail pionnier de l'ANR Alpha +, consacré au développement d’un lien optique ultra-stable dédié au transfert d'une fréquence ultrastable 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 l'ANR précédente 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, nous avons 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 elle permet d’utiliser le réseau de fibres optiques déjà existant entre chaque laboratoire pour les applications Internet.Dans ce projet, nous voulons d’abord augmenter la longueur et la fiabilité des liens optiques multiplexés tout en les simplifiant. Notre objectif est de démontrer un lien optique de 600 km sans régénération du signal. Plusieurs améliorations technologiques seront également mises en place pour accroitre la fiabilité du système. De cette façon, cette nouvelle technique de transfert de fréquence deviendra accessible à un grand nombre de laboratoires, intéressés par des mesures de haute sensibilité ou des applications en métrologie.Nous souhaitons également étudier les limites fondamentales des liens optiques, afin de quantifier les performances des futures liaisons transnationales. Nous souhaitons en particulier mettre en place un lien optique en forme de boucle pour étudier les conséquences de l’effet Sagnac sur le transfert de fréquence. Un tel lien en forme de boucle peut être considéré comme un gyromètre à fibres géant ou un capteur géodésique. Cette application potentielle est très attractive et une mesure quantitative de la sensibilité de ce nouveau type de dispositif est donc fortement nécessaire.Dans ce projet, nous voulons ensuite démontrer le transfert de fréquence à haute résolution entre les laboratoires LNE-SYRTE et LPL. Nous tenons à montrer que le transfert de signal ultra-peut être très fiable et être utilisé pour le contrôle en fréquence de sources laser infrarouges, pour un large éventail d'applications en spectroscopie moléculaire. L'objectif à long terme est de montrer que le signal transféré est une source fiable pour la stabilisation en fréquence d’une large gamme de lasers, éliminant ainsi le besoin de dispositifs locaux spécifiques de stabilisation de fréquence. Cette application est essentielle pour tous les utilisateurs potentiels des liens optiques.Enfin, le projet permettra un test, complet et très performant du système de comparaison des horloges d’ACES (Ensemble d’horloges atomiques dans l'espace) (ACES). ACES devrait voler à bord de la Station Spatiale Internationale (ISS) fin 2013. Bon nombre de ses objectifs scientifiques, comme l'étude de la stabilité des constantes fondamentales ou la mesure du potentiel gravitationnel de la Terre par géodésie relativiste, s'appuie sur un lien micro-ondes sol-espace (MWL) spécifié pour effectuer des comparaisons entre horloges terrestres distantes au niveau de 10-17. Nous proposons d'évaluer directement les performances de cet instrument grâce à un lien optique d’environ 1000 kilomètres. Comme ces liens sont basés sur des techniques très différentes, cette évaluation sera a priori insensible aux effets systématiques et aux modèles de propagation atmosphérique. Cela devrait considérablement renforcer la confiance dans les mesures réalisées ensuite au cours de la mission ACES. Ce projet contribuera donc de manière significative à renforcer la valeur scientifique de la mission ACES.
Résultats : Résultats majeurs du projet :
-	Un lien optique de 1500 km entre Paris et Strasbourg avec une résolution de 10-18 pour un temps de mesure de 100 s. C’est un premier pas vers la comparaison des meilleures horloges française et allemande par lien optique. 
-	La stabilisation d’un laser à cascade quantique sur le signal ultrastable transféré par le lien, avec une stabilité record de 2x10-15 à 1 s. Cela ouvre la voie à des mesures de très grande précision sur des molécules, pour des tests de physique fondamentale.
-	Le transfert de temps avec exactitude meilleure que 200 ps sur plusieurs centaines de km, soit bien mieux que le GPS.
-	Plusieurs nouvelles architectures de lien optique pour la distribution multi-utilisateurs ou la comparaison d’horloges.
Perspectives : Nos travaux ont permis de démontrer qu’il était possible d’implémenter un réseau métrologique ultra-stable sur le réseau national académique RENATER. Nous avons développé des techniques pour disséminer le signal ultrastable à plusieurs utilisateurs simultanément, et à très grande distance. Nous avons également montré que le signal transféré pouvait être utilisé pour stabiliser la fréquence d’un laser moyen infra-rouge et sonder des molécules avec une résolution record. Au-delà du résultat scientifique remarquable, ces expériences ont constitué un test en grandeur nature des performances technologiques et des procédures de fonctionnement à implémenter pour le fonctionnement futur de l’Equipex REFIMEVE+.
Ces travaux ont abouti fin 2014 à la mise en place d’un lien optique Paris-Strasbourg de 1500 km. Nous avons identifié sur cette liaison de nouvelles difficultés liées à l’allongement des distances parcourues sur le réseau RENATER. Ce lien optique a été interconnecté à un lien optique allemand, afin de relier les deux instituts de métrologie français et allemands. C’est la première fois au niveau international que deux laboratoires de métrologie pourront comparer leurs horloges atomiques avec un niveau de précision largement supérieur à ce qui est actuellement accessible avec le GPS ou d’autres liaisons satellitaires. Cela ouvre des perspectives énormes à la fois pour la métrologie temps-fréquence et l’amélioration des horloges et pour réaliser de nombreux test de très haute sensibilité avec ces horloges. Ainsi la comparaison des fréquences d’un même type d’horloge permet de mesurer la différence des potentiels gravitationnels que subissent ces horloges.
Ces résultats ouvrent également la voie à un réseau métrologique européen. De nouvelles liaisons sont en cours de développement vers Londres en Angleterre et vers Turin en Italie, avec d’importantes perspectives scientifiques et techniques.
Publications et brevets : Ce projet a donné lieu à 8 publications dans des revues internationales à comité de lecture, 6 actes de congrès à comité de lecture, et 2 publications dans des revues nationales à comité de lecture. Nous avons en particulier un article quasiment accepté à Nature Photonics et un article sera prochainement soumis à la revue Science. Nos derniers résultats devraient encore mené à au moins 3 publications dans des revues internationales.
Nous avons également donné 19 conférences orales dans des congrès internationaux, dont 7 sur invitation.