LNE-SYRTE – Observatoire de Paris, France Génération de Signaux Micro-Ondes pour la Métrologie...
-
Upload
joscelin-sergent -
Category
Documents
-
view
111 -
download
2
Transcript of LNE-SYRTE – Observatoire de Paris, France Génération de Signaux Micro-Ondes pour la Métrologie...
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
Plan
I. Motivations
II. Lasers et cavités ultra-stables : conception et mesures
III. Génération du signal micro-onde et application à l’horloge
IV. Limites de la génération micro-onde
V. Conclusions et perspectives
2
Plan
I. M o t i v a t i o n s
II. Lasers et cavités ultra-stables : conception et mesures
III. Génération du signal micro-onde et application à l’horloge
IV. Limites de la génération micro-onde
V. Conclusions et perspectives
3
Principe d’une horloge atomiqueFournir 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
I
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+
4
Tc ~ 1 s
Exemples d’horloges atomiquesI
Fontaine (micro-onde) Réseau optique (optique)
Pré
para
tion
Inte
rrog
atio
n
Dét
ecti
on
Tc
Fonctionnement séquentiel
0
5
Temps morts Contribution du bruit de l’oscillateur sur la stabilité de l’horloge
0 20 40 60 80 10010-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
100
g m
2
m
0
1
(n-1)Tc
(n+2)Tc
(n+1)Tc
g (
t )Temps
nTc
Effet DickRepliement de spectre dû à l’échantillonnage du bruit de fréquence de
l’oscillateur d’interrogation par l’horloge
21
1
2, )(
m
cymDy fmSg
Contribution :
gm coefficients de Fourier de g(t)fc = 1/Tc
Contribution majoritaire est à très basse fréquence
I
c
c
nT
Tn
c tttgTnp)1(
d)()(
6
Réduire le bruit de l’oscillateur à basses fréquences ( f < ~20 Hz)
Limite des horloges
atcat
qy NSNRTSNRQ
,
1)( 2
1
, Bruit de projection quantique
I
s 5,1et 10 ,10Pour 106 catat TQN
2/114, 103)( qy
Fontaines :
s 5,0et 10 ,10Pour 144 catat TQN
2/117, 102)( qy
Réseau optique :
100 101 102 103 10410-15
10-14
Sta
bili
té r
elat
ive
de f
réqu
ence
y (
)
Temps d'intégration [s]
Limite observée
Bruit de projection quantique
Fontaines :Réseau optique :
2/115103)( y
Limité par le bruit du laser d’interrogation
7
Feuille de route
Ultra-stable / Bas bruit
Référence de fréquence optique
Horloges optiques
Horloges micro-ondes
Signal micro-onde9 – 12 GHzUltra-stable
Bas bruit
Transfert du bruit/stabilité de la
référence optique en micro-onde
Laser femtoseconde :Peigne de fréquence optique
Réaliser une référence optique
I
8
Plan
I. Motivations
II. L a s e r s e t c a v i t é s u l t r a - s t a b l e s : c o n c e p t i o n e t m e s u r e s
III. Génération du signal micro-onde et application à l’horloge
IV. Limites de la génération micro-onde
V. Conclusions et perspectives
9
Lasers ultra-stablesII
Cavité ultra-stable : deux miroirs à haute finesse
« spacer » généralement en ULE
Verre dopé avec une faible dilation thermique (~ qq 10-9/K)
Laser stabilisé en fréquence sur une cavité Fabry-Perot Performances du laser dépendent de la cavité
L
L
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
Stabilités relatives de fréquence démontrées au niveau de 1×10-15
de 1 s – 100 s(NPL, JILA, NIST, PTB)
100 101 102
10-15
10-14
Stab
ilité
rel
ativ
e de
fré
quen
ce
y ()
Temps d'intégration [s] 10
NPL 2008
meca
(...)
Qf
GTfS
Limites fondamentalesII
• Miroirs en ULE : ~1×10-15 (substrat, L = 100 mm)
• Miroirs en silice fondue : ~4×10-16 (traitement, L = 100 mm)
Matériaux Qmeca
ULE 6×104
Silicefondue
106
meca
(...)
Q
GTy
Bruit thermique (mouvement brownien)
Bruit de scintillation :
G dépend des prop. :Spacer
SubstratTraitements
11
Bruit quantique : 10-20 (négligeable)
Limites techniquesII
Vibrations
akL
L
• Réduire le bruit sismique
10-2 10-1 100 101-160
-140
-120
-100
-80
Est-Ouest
Nord-Sud
DSP
de
brui
t sis
miq
ue
[dB
(m
.s-2
)2 /Hz]
Fréquence [Hz]
Verticale
)/(m.s102 -211k
!! Miroirs en Silice fondue coeff. de dilation thermique ~10-7/KStabilité de température de ~5 nK sur 1 s – 100 s
Sensibilité à la température
• Réduire les coefficients de sensibilité k [1/(m.s-2)]
12
Horizontale
NPL
PTB
Les vibrations
Sensibilité estimée à :
II
)/(m.s103 -210zk
z
Support en V
LL 2
1
0L
LL 2
1
JILA
JILA
Verticale
13
• Étude de la sensibilité (tous axes et rotation des miroirs)• Étude statique, linéaires isotropes• 2 Logiciels (Cast3m et Multiphysics Comsol)
Minimiser la variation de longueur de la cavité induite par une accélération
Étude par élément finisII
14
Design retenuII
x
yz
Longueur et diamètre : 100 mmXc = 47 mm, Zc = 3 mm
4 « pastilles » en Viton :Epaisseur : 0,7 mmSurface : ~2 mm2
15
Méthode de mesure des sensibilités
Laser
Laser ultra-stable
FFT
Sism
o
Table d’isolation
a
100 101 10210-13
10-12
10-11
10-10
10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
DS
P d
'acc
élér
atio
n [
(m.s
-2)2 /H
z]
Fréquence [Hz]
Accélérationappliquée
II
16
Sensibilité verticale
Sensibilité au positionnement très faible ~2x10-12 /(m.s-2) par mm
II
17
0 5 10 15 20 25-1x10-11
0
1x10-11
2x10-11
3x10-11
k z [(
m.s
-2)-1
]
Yp [mm]
Simulations
Sensibilités horizontales
• Sensibilité transverse bon accord entre mesure et simulations
II
18
0 5 10 15 20 25-1x10-11
0
1x10-11
2x10-11
(m.s
-2)-1
Yp [mm]
• Sensibilité axiale est d’un ordre de grandeur supérieur à la prédiction
Compatible aux objectifs
Non compris mais déjà observé
Simulations
Simulations
Enceinte à vide et écrans thermiquesII
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
Cavité sous vide :Supprime les fluctuations d’indiceMinimise les échanges thermiques
19
Montage expérimentalII
Laser à fibre dopée Yb @ 1062,5 nmBande passante : ~500 kHz (AOM)
Puissance : 4 µWFinesse : ~700 000Contraste : > 40%
Sensibilité en puissance : ~100 Hz/µW
20
Lien optique LNE-SYRTE – LPL : 2 cavités horizontales, miroirs en ULE @1550 nm
Cavités réaliséesII
21
Horloge Hg : 1 cavité verticale, miroirs en silice @1062.5 nm
Horloge Sr : 1 cavité horizontale, miroirs en silice @698 nm
OPUS : 1 cavité horizontale, miroirs en silice @1062.5 nm
Directions Sensibilité [1/m.s-2]
verticale ~3,5×10-12
horizontales ~1,4×10-11
Bruit de fréquence II
10-1 100 101 102 103-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
Electronique
Vibrations
D
SP
de
fréq
uenc
e [
dB H
z2 /Hz]
Fréquence [Hz]
Bruit thermique
équivalent à 4x10-16
par cavité
22
10-1 100 101 102 10310-16
10-15
10-14
Stab
ilit
é re
lati
ve d
e fr
éque
nce
y()
Temps d'intégration (s)
Stabilité de fréquence
Bruit thermique ?
Dérives linéaires retranchées
II
1616 1042106,5
Comparaison laser OPUS – laser HgComparaison laser Sr – horloge Sr
23
Temp.asservieTemp.
OPUS libre Validation de la conception thermique
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)
Lasers ultra-stables : résuméII
1 10 100 1000
10-16
10-15
Sta
bilit
é re
lati
ve d
e fr
éque
nce y(
)
Temps d'intégration [s]
Application aux horloges Sr du LNE-SYRTE
σy (τ) 3×10-15 τ-1/2
24
Plan
I. Motivations
II. Lasers et cavités ultra-stables : conception et mesures
III. G é n é r a t i o n d u s i g n a l m i c r o - o n d e e t a p p l i c a t i o n à l ’ h o r l o g e
IV. Limites de la génération micro-onde
V. Conclusions et perspectives
25
Performances des oscillateurs
100 101 102 103-180
-160
-140
-120
-100
-80
-60Quartz bas bruit
5 MHz
Oscillateur cryogénique12 GHz
Bruit de phase S à 10 GHz
dB r
ad2 .H
z-1
Fréquence [Hz]
Laser ultra-stable
Bruit de phase de l’oscillateur permettant d’atteindre le bruit de
projection quantique de l’horloge :
Oscillateurs à quartz : commercial mais bruit trop élevéOscillateurs cryogéniques : très bas bruit mais très rares
RF ou micro-onde
-80 dB rad2/Hz à 1 Hz en f -3
σy(1 s) équivalent : 1×10-14
Lasers ultra-stables : très bas bruit Fréquence optique
III
26
Transfert de fréquence optique – micro-ondes
Lasers femtosecondes Titane:Saphir utilisés depuis ~10 ans :
Technologie mature
Bruit faible et bien maîtrisé
Taux de répétition élevés
III
σy(1 s) < 10-15 démontrée (NIST)
Peignes optiques basés sur les lasers femtosecondes fibrés :
Grande stabilité de fonctionnement
Disponibles commercialement
Propriétés métrologiques peu connues et bruit (élevé ?)
Manque de fiabilité fonctionnement long terme (qq heures)
Fonctionnement quasi-continu (semaines) nécessaire aux fontaines
σy(1 s) ~ 10-14
démontrée (PTB)
27
Peigne de fréquence optiqueIII
t
OptiqueRF / Micro-onde f
frep = 1 / Trep
Trep
f0n frep + f0
28
Temporel
Fréquentiel
Oscillateur à fibre dopée erbium pompé par diodes
Fréquence de répétition 250 MHz
Largeur spectrale 35 nm @ 1,55 μm (100 fs)
Stabilisation du peigne optique
0f
repl nf
Fréquence d’offset du peigne f0 est libre mais soustraite de fb
Peigne de frequence
x2
0f
÷64 Synthétiseur
Filtre de
boucle
Puissance diodes de
pompe
Laserultra-stable
PDH
Laser
l
0n repnf f
0b l repf nf f
III
m × frep
Filtre passebande
29
nf l
rep
f - 2f
Caractérisation du signal micro-onde
~9,2GHz
Laser fs à fibre @ 1,55 µm
Analyse:FFT / compteur
Laser @ 1,55 μm
PDH
~9,2GHz
Laser fsTi:Sa @ 830 nm
Laser @ 1,06 μm
PDH
Laser ultra-stable Hg
III
30
100 101 102 103 104-130
-120
-110
-100
-90
-80
-70
Battementmicro-ondes
DSP
@ 9
,2 G
Hz
(dB
rad
2 /Hz)
f [Hz]
Laser ultra-stable
-90 dB rad2/Hz @ 1Hz
Bruit de phaseCaractérisation du signal micro-onde
3,6x10-15 @ 1s
Stabilité mesurée
III
31
Application à la fontaine
Horloge à fontaine
atomique
Synthèse de fréquence
11,98 GHz
Synthèse de fréquence
9,192 GHz
Stabilité limitée par le bruit de projection quantique :
3,5x10-14 τ-1/2Oscillateur cryogénique à
résonateur en saphir
11,932 GHz
Interrogation
III
32
Application à la fontaine
Horloge à fontaine
atomique
Synthèse de fréquence
11,932 GHz
11,98 GHz
Synthèse de fréquence
9,192 GHz
Interrogation
Corrections de fréquence
Oscillateur cryogénique
11,932 GHz
Compteur de fréquence
Sign
al d
’hor
loge
Lien fibré 300m
Porteuse optiqueCompensé en bruit
Diode Laser
Laser fs à fibre @ 1,55 µm
11,932 GHz
Laser @ 1,55 μm
PDH
III
33
100 101 102 10310-15
10-14
y( )
[s]100 101 102 10310-15
10-14
y( )
[s]
Résultat
Fontaine atomique
Laser fs – Osc. cryo.
Aucune dégradation de
la stabilité
2.9x10-15 @ 1s
Stabilité relative de fréquence
III
34
3,5x10-14 τ-1/2
Plan
I. Motivations
II. Lasers et cavités ultra-stables : conception et mesures
III. Génération du signal micro-onde et application à l’horloge
IV. Limites de la génération micro-onde
V. Conclusions et perspectives
35
MontageRéférence optique commune : réjection du bruit
Détection micro-onde :
~ -30 dBm en micro-onde @ 11,55 GHz pour ~10 mW optique
IV
36
100 101 102 103 104 105-140
-130
-120
-110
-100
dB
rad
2 /Hz
@ 1
1,55
GH
z
Hz
Résultats : bruit de phase
-108 dB rad2/Hz @ 1Hz
Battementmicro-onde
Référenceoptique
Détection :photodiode
Amplificateur
-10 dB sur tout le spectre
IV
37
Résultats : Stabilité
0 8 16 24 32 40 48 56 64 72-30
0
30
Der
ive
tem
pore
lle
de p
hase
(fs
)
Temps de mesures [h]
~2x10-16 @ 1-10sPar laser : 2x10-19 @ 20 h
Valeur moyenne : 2×10-20
Conversion optique micro-onde sans biais
IV
38
100 101 102 103 104 10510-19
10-18
10-17
10-16
Sta
bili
té r
elat
ive
de f
réqu
ence
Temps de mesures [s]
Plan
I. Motivations
II. Lasers et cavités ultra-stables : conception et mesures
III. Génération du signal micro-onde et application à l’horloge
IV. Limites de la génération micro-onde
V. C o n c l u s i o n s e t p e r s p e c t i v e s
39
Conclusions
Bruit thermique : efficacité démontrée de la silice fondue
Sensibilité thermique : réduction de l’effet par isolation thermique
Vibrations : réduction significative des coefficients
Stabilité de 4×10-16 à 1 s par laser
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 cryogéniques40
Lasers / Cavités ultra-stables
Perspectives
41
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