LPL - Laboratoire de Physique des Lasers

Métrologie, Molécules et Tests Fondamentaux (MMT)


Transfert de fréquences par lien optique

Anne Amy-Klein, Christian Chardonnet, Olivier Lopez, Etienne Cantin



Reseau REFIMEV
Schéma du réseau REFIMEVE au 1er octobre 2022 (en vert), avec les connexions européennes (en rouge) et les futures extensions nationales (en noir).


La dissémination de références ultra-stables de fréquence entre laboratoires distants est un défi majeur pour une large gamme d’expériences de très haute sensibilité, en métrologie ou en physique fondamentale. Ainsi, au LPL, nos expériences de spectroscopie moléculaire à très haute résolution nécessitent de contrôler extrêmement précisément la fréquence de nos lasers. Dans ce but, nous développons depuis 20 ans des liens optiques fibrés. Ces liens consistent à transférer par fibre optique la phase d’un laser ultrastable émettant à 1.5 µm, dont la fréquence est contrôlée avec les horloges du LNE-SYRTE, tout en corrigeant les fluctuations de phase ajoutées lors de la propagation, dues aux variations d’origine thermique et acoustique de la longueur optique de la fibre.


Après le développement d’un lien optique entre le LNE-SYRTE et le LPL, nous avons entrepris de développer un réseau national de liens optiques, REFIMEVE, qui est devenue en 2021 une infrastructure nationale de recherche. Pour cela, nous avons initié un partenariat avec RENATER (Réseau National de télécommunications pour la Technologie l'Enseignement et la Recherche), ce qui nous permet d’utiliser directement les fibres du réseau académique national pour transmettre le signal ultrastable, par multiplexage en longueur d’onde. Nous avons également soumis et obtenu deux projets du Programme d’Investissements d’Avenir, les Equipex REFIMEVE+ et T-REFIMEVE afin de financer le développement de ce réseau. Enfin, nous sommes partenaires de plusieurs projets européens pour le développement de liens optiques et la comparaison des meilleures horloges optiques européennes. Le réseau REFIMEVE s’étend actuellement sur 6500 km de liens optiques avec des connexions vers les principaux instituts nationaux de métrologie européens, et bientôt une connexion au CERN [1, 7]. Il permet de disséminer un signal de fréquence ultra-stable avec une incertitude relative meilleure que 10-19.. Il est équipé de stations de régénérations du signal optique, dont les prototypes avaient été développés au LPL, et qui sont maintenant commercialisées par la société Ixblue [8].


Nos activités de recherche s’orientent actuellement sur l’étude des limites fondamentales des liens optiques [4, 6], le développement de réseau optique et du transfert de temps sur de très longues distances [2, 3, 7] et les applications de ces liens aux sciences de la terre par exemple. Avec nos partenaires européens, nous avons également participé à plusieurs campagnes de comparaisons d’horloges. Ces mesures de précision record permettent d’accéder aux différences de potentiel gravitationnel par géodésie relativiste [10], ou bien de réaliser des tests de physique fondamentale au-delà du modèle standard, comme la recherche de matière noire par exemple [5, 9].


 

Contacts

Anne Amy-KleinEtienne Cantin, Christian Chardonnet

 


Quelques références récentes

  1. C. Clivati et al, Coherent optical fiber link across Italy and France, Physical Review Applied 18, 054009 (2022).

  2. M. Schioppo et al, Comparison of ultrastable lasers at 7x10-17 fractional frequency instability through a 2,220 km long optical fibre link network, Nature Comm. 13, 212 (2022).

  3. E. Cantin, M. Tønnes, R. Le Targat, A. Amy-Klein, O. Lopez, P.-E. Pottie, An accurate and robust metrological network for coherent optical frequency dissemination, New J. Phys. 23, p 053027 (2021).

  4. Dan Xu, Olivier Lopez, Anne Amy-Klein, Paul-Eric Pottie, Non-reciprocity in optical fiber links: first experimental evidence, Optics Express 29, p 17476-17489 (2021).

  5. B. M. Roberts, P. Delva et al, Search for transient variations of the fine structure constant and dark matter using fiber-linked optical atomic clocks, New Journal of Physics 22, 093010 (2020).

  6. Dan Xu, Olivier Lopez, Anne Amy-Klein, and Paul-Eric Pottie, Unidirectional two-way optical frequency comparison and its fundamental limitations, Optics Letters 45, 6074-6077 (2020).

  7. Sebastian Koke, Alexander Kuhl, Thomas Waterholter, Sebastian M.F. Raupach, Olivier Lopez, Etienne Cantin, Nicolas Quintin, Anne Amy-Klein, Paul-Eric Pottie, and Gesine Grosche, Combining fiber Brillouin amplification with a repeater laser station for fiber-based optical frequency dissemination over 1400 km, New J. Phys. 21, 123017 (2019).

  8. F. Guillou-Camargo, V. Ménoret, E. Cantin, O. Lopez, N. Quintin, E. Camisard, V. Salmon, J.-M. Le Merdy, G. Santarelli, A. Amy-Klein, P.-E. Pottie, B. Desruelle and C. Chardonnet, First industrial-grade coherent fiber link for optical frequency standard dissemination, Applied optics 57, 7203-7210 (2018).

  9. P. Delva, J. Lodewyck, S. Bilicki, E. Bookjans, G. Vallet, R. Le Targat, P.-E. Pottie, C. Guerlin, F. Meynadier, C. Le Poncin-Laffitte, O. Lopez, A. Amy-Klein, W. Kyu Lee, N. Quintin, C. Lisdat, A. Al-Masoudi, S. Dorscher, C. Grebing, G. Grosche, U. Sterr, I. R. Hill, R. Hobson, W. Bowden, J. Kronjager, G. Marra, A. Rolland, F. N. Baynes, H. S. Margolis, and P. Gill,
    Test of special relativity using a fiber network of optical clocks, Phys. Rev. Lett. 118, 221102, (2017).

  10. 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 C., Le Coq Y., Santarelli G., Amy-Klein A., Le Targat R., Lodewyck J., Lopez O., Pottie P.-É.,
    A clock network for geodesy and fundamental science, Nature Communications, 7, 12443, (2016).

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