Y. Le Coq, J. Millo, S. Bize, J. Guéna, H. Jiang, M. Abgrall, E.M.L. English, M.E. Tobar*, A. Clairon, G. Santarelli

SYRTE – Observatoire de Paris, France

* University of Western Australia

Micro-onde à bas bruit de phase avec un laser femto fibré pour les

fontaines atomiques

Plan de l’exposé

• Introduction et vue d’ensemble

• Lasers continus stabilisés sur cavité

• Stabilisation d’un peigne de fréquence

• Génération de signal micro-onde bas-bruit

• Interrogation de la fontaine atomique

• Conclusion et perspectives

Horloges atomiquesBut: délivrer un signal dont la fréquence est stable et universelle

Les fréquences de Bohr d’un atome non perturbé sont a priori stable et universelle

Principe d’une horloge atomique

ε : décalage relatif de la fréquence

exactitude: incertitude totale sur ε

y(t) : fluctuations relatives de fréquence

stabilité: propriétés statistiques de y(t), caractérisées à l’aide de la variance d’Allan y

2() (~quelle précision en moyennant pendant un temps )

macroscopic oscillator

atoms

interrogation

correction

output

Bruit de projection quantique : Nombre fini d’atomes résolution limitée

Opération séquentielle

Motivations

• Horloges atomique en fontaine limitée par le bruit de projection quantique (QPN) à quelques 10-14 @ 1s

• “effet Dick” nécessite µ-Onde < 10-14 @ 1s pour atteindre QPN• Oscillateurs saphir cryo (LHe) (~10-15@1s – 100s)• Domaine optique : stabilitées meilleures ou équivalentes (laser

stabilisés sur cavités ultra-stables)• Utilisation d’un laser femto pour relier l’optique au µ-onde• Femto Ti:Saph :

– µOnde < 10-15 @ 1s (S. Diddams & coworkers) – Fiabilité

• Femto à fibre Er :– Fiabilité – µOnde ~10-14 @ 1s (B. Lipphardt & coworkers)

Compatible avec les horloges atomiques en fontaines

Constellation d’horloges

atomiques au SYRTE

Hg, opt

Sr, opt

Cs, µW

Cs, µW

Rb, Cs, µW

H, µW

Asservissement de phase~1000 s

Fontaine FO1

Fontaine FO2

Fontaine transportable FOMHorloge optique à réseau

Horloge optique à réseau

Macroscopic oscillator

Oscillateur Saphir Cryo.

H-maser

Vue d’ensemble de l’expérience

Horloge en fontaine atomique

Spectro. Ramsey

Asserv.

Stabilisation du peigne

Peigne de fréquences optiques

Laser fibre

PDH

Laser stabilisé sur cavité

Laser continu

Détection de la cadence de répétition

µ-O

nde

Plan de l’exposé

• Introduction et vue d’ensemble

• Lasers continus stabilisés sur cavité

• Stabilisation d’un peigne de fréquence

• Génération de signal micro-onde bas-bruit

• Interrogation de la fontaine atomique

• Conclusion et perspectives

Lasers stabilisés sur cavités

Sens. accél. (1/m.s-2) Géom. horizontale Géom. vertical

Axe vertical ~5x10-12 ~3.5x10-12

Axe horizontal ≤1x10-11 ~1.4x10-11

Systèmes lasers fiables (lasers fibrés) asservis sur cavité ultra-stable Fonctionnement continu

• Cavités sous vide (~10-8 mbar)

• Finesse : ~800 000

• Forme optimisée pour minimiser la sensibilité accélérométrique

• En ULE pour coef. d’exp. Th.

• Boucliers thermiques (<1nK res.) (cte ~ 4j)

• Sur table isolante des vibrations

Lasers stabilisés sur cavités

100 101 102 10310-16

10-15

10-14

y()

(s)

Linear drift removed

Noir :

• 2 cavités horizontales

• ULE mirrors @ 1.55 μm

~2x10-15 @ 1s

Rouge :

• 1 cav. horizontale et 1 verticale

• miroirs en Fused Silica @ 1.06 μm (bruit thermique)

~8x10-16 @ 1s ~7x10-16 @ 4s

Stabilité de fréquence (fractionnelle)

Plan de l’exposé

• Introduction et vue d’ensemble

• Lasers continus stabilisés sur cavité

• Stabilisation d’un peigne de fréquence

• Génération de signal micro-onde bas-bruit

• Interrogation de la fontaine atomique

• Conclusion et perspectives

Technique de stabilisation du peigne

ceof

repl nf

CEP non asservie fceo soustrait de fb

Rep. rate detectionHarmonic @ m.frep

Peigne de fréq. optiques

x2

ceof

÷N Synthétiseur

Loop filter

Puissance de pompe

Laser stab. sur cavité

PDH

Laser

l

ceorepn fnf

ceoreplb fnff

Stabilisation du peigne fibré

Larg. ~100 nmfrep ~250 MHz

~30 mW

mesure de fceo

Laser femto fibré Erbium @ 1.55 μm

Photodiode InGaAs rapide9 mW

Band passfilter

-27 dBm par harmonique

~ 9 or ~12 GHzrepfm.

Controle de polarization

ceoreplb fnff

Band passfilter

~400 MHz

filtre de Bragg ( 1 nm, bande

passante)

Circulateur

1 mW

Laser @ 1.55 μm

PDH

Laser asservi sur cavité

Fibre hautement

non-linéaire

Plan de l’exposé

• Introduction et vue d’ensemble

• Lasers continus stabilisés sur cavité

• Stabilisation d’un peigne de fréquence

• Génération de signal micro-onde bas-bruit

• Interrogation de la fontaine atomique

• Conclusion et perspectives

µOnde : Ti:Saph vs femto fibre

Analyse:compteur/FFT

~9.2GHz

~9.2GHzLaser fs fibré Er @ 1.55 µm

laser fs Ti:Saph @ 830 nm

lien fibré 30m

Noise cancelled

frep = 770 MHz

Facteur de division: 8

BW: ~400 kHz puissance pompe (AOM)

S/N = 40 dB dans 300 kHz RBW

Facteur de division : 128

BW: ~120 kHz puissance pompe (modulation de l’alim.)

S/N = 25 dB in 300 kHz RBW

LD

Laser @ 1.06 μm

PDH

Laser @ 1.55 μm

PDH

µOnde : Ti:Saph vs femto fibre

1 10 10010-15

2x10-15

3x10-15

4x10-155x10-156x10-157x10-158x10-159x10-1510-14

y()

linear drift removed Compteur Π (sans temps morts), 400 Hz BW

3.6x10-15 @ 1s10-15

10-14

2x10-15

y

(s)

Stabilité de fréquence (fractionnelle)

Outline

• Introduction and overview

• Cavity stabilized lasers

• Frequency comb stabilization technique

• Low noise microwave generation

• Interrogation of the atomic fountain

• Conclusion and perspectives

OSC pour interroger la fontaine FO2

Horloge atomique fontaine

(Cs)

Synthèse de fréquence

11.98 GHz

Synthèse de fréquence

9.192 GHz

Spectro. Ramsey

Stabilité de la fontaine limitée par le bruit de projection quantique :

3.5x10-14 τ-1/2Oscillateur Saphire

Cryogénique

11.932 GHz

Femto-fibre pour interroger la fontaine FO2

Horloge atomique fontaine

(Cs)

Frequency synthesis

11.932 GHz

11.98 GHz

Frequency synthesis

9.192 GHz

Spectro. Ramsey

Corrections de fréquences

~106

atoms/coup

Oscillateur Saphir Cryogénique

11.932 GHz

Compteur de freq.

Clo

ck s

igna

l

Compt. Π , 10 Hz BW

Lien fibré 300m

Noise cancelled

LD

Laser femto-fibre Er

11.932 GHz

Laser @ 1.55 μm

PDH

Femto-fibre pour interroger la fontaine FO2

100 101 102 10310-15

10-14

2.9x10-15 @ 1s

y()

(s)

3.5x10-14 -1/2limité par le bruit de proj.

Quantique

106 atomes/cp

Fontaine atomique

Femto fibrefsvs

oscillateur cryo

Résultat identique

quand l’oscillateur cryo pilote la

fontaine

2.9x10-15 @ 1s

Stabilité de fréquence (fractionnelle)

J. Millo et al., Appl. Phys. Lett., 94, 141105 (2009)

Conclusions et perspectives

• µ-Onde bas bruit générée à partir de l’optique à ~3x10-15@1s– Système fiable et robuste (locké plusieurs jours)

• Signal µ-Onde signal utilisé pour la fontaine atomique : bruit de proj. Quantique à 3.5x10-14 τ-1/2

• Asservissement long terme sur H-Maser et TAI • Améliorer la conversion Optique → µOnde• Investigation d’une solution alternative pour le laser CW

de référence “système tout fibré” Kéfélian et al. Optics Letters 34, 914

Merci !

µWave generation: Ti:Sapph vs Er fiber combs

100 101 102 103 104 105-130

-120

-110

-100

-90

-80

-70

Fiber fs free running

Fiber fs vs Ti:Sa fsstabilized

PSD

@ 9

.2 G

Hz

(dB

rad

2 /Hz)

f (Hz)

Cavity stabilizedlaser @ 1.55 µm

-90 dB rad2/Hz @ 1Hz

Phase noise

Réponse thermique de la cavité Hg

22.5

23.0

23.5

24.0

24.5

25.0

54660 54670 54680 54690 54700

0

2

4

6

8

10

Te

mp

éra

ture

de

l'e

nce

inte

inte

rne

(°C

)

Va

ria

tion

de

fré

qu

en

ced

e la

ca

vité

(M

Hz)

Temps (MJD)

Filtre passe bas du 1er ordre

Constante de temps de 4 jours

Réalisé par : S. Bize, S. Dawkins, R. chicireanu, D. Magalhães, C.

Mandache, Y. Le Coq

Dérive de la cavité ~50mHz/s soit ~2x10-16/s

Résultats - Stabilité

1 10 100 100010-16

10-15

10-14

Hg vs Opus @1062.5nm Hg vs CSO @9.2GHz

In

sta

bili

té r

ela

tive

de

fré

qu

en

ce

Temps (s)