dissemination ultra-stable d`etalons de frequence par fibre optique

Th`ese du
LABORATOIRE D’OPTRONIQUE DE L’ENSSAT
´
Effectu´ee au
LABORATOIRE NATIONAL DE M´ ETROLOGIE ET D’´ ESSAIS
SYST` EMES DE R´ EF´ ERENCES TEMPS-ESPACE
TH` ESE DE DOCTORAT DE L’UNIVERSIT´ E RENNES I
Physique de la Mati`ere
pr´esent´ee par
Fran¸cois Narbonneau
pour obtenir le grade de
Docteur de l’Universit´e Rennes I
Sujet de la th`ese :
DISSEMINATION ULTRA-STABLE D’´ ETALONS DE FR´ EQUENCE
PAR FIBRE OPTIQUE DU R´ ESEAU T´ EL´ ECOM M´ ETROPOLITAIN
Soutenue le 10 octobre 2006 devant le jury compos´e de :
Pr. Anne Amy-Klein Pr´esident du jury
Dr. Olivier Lloppis Rapporteur
Dr. St´ephane Gosselin Rapporteur
Pr. Serge Mottet Directeur de th`ese
Dr. Giorgio Santarelli Responsable scientifique
Dr. Nikos Karafolas Membre invit´e

2

TABLE DES MATI` ERES 3
Table des mati`eres
Introduction 9
1 R´ef´erences de fr´equence et moyens actuels de comparaison 11
1.1 Oscillateurs et r´ef´erences de fr´equence . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.1 Horloges commerciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.2 Oscillateur `a quartz et maser `a hydrog`ene . . . . . . . . . . . 13
1.1.3 Oscillateur cryog´enique `a r´esonateur saphir . . . . . . . . . . 13
1.2 Etalons primaires de fr´equence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3 L’horloge optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4 R´ef´erences de fr´equence et oscillateur local du LNE-SYRTE . . . . . 17
1.5 ´ Etat de l’art des comparaisons Temps-Fr´equence . . . . . . . . . . . 19
1.5.1 Comparaison longues distances par GPS . . . . . . . . . . . . 19
1.5.2 TWSTFT : Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer 22
1.5.3 T2L2 : Transfert de Temps par Lien Laser . . . . . . . . . . . 25
1.5.4 Comparaison et limitations des syst`emes actuels . . . . . . . 27
2 Lien optique en espace libre 29
2.1 Principe et objectif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2 Modules opto´electroniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.1 Consid´erations g´en´erales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.2 Acceptance angulaire obtenue . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.3 Module d’´emission/r´eception . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3 Compensation des fluctuations de phase . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.1 Electronique de compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.2 Mise en ´equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4 Caract´erisation et r´esultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4.1 Facteur de correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4.2 Quantification du facteur de correction . . . . . . . . . . . . . 41
2.4.3 Bruit de phase et stabilit´e de phase . . . . . . . . . . . . . . 42
2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4TABLE DES MATI` ERES
3 Diss´emination optique de r´ef´erences de fr´equence 45
3.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2 D´efinition des objectifs `a atteindre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3 Syst`eme optique de distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.1 Source laser directement modulable en amplitude . . . . . . . 49
3.3.2 Syst`eme de d´etection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3.3 Analyse des caract´eristiques et du bruit de phase du couple
´emetteur/recepteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.4 Support de transmission : r´eseau fibr´e existant . . . . . . . . . . . . 69
3.4.1 Fibre monomode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.4.2 R´eseau fibr´e existant et moyen de tests . . . . . . . . . . . . 71
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4 Limitations physiques et bruit du milieu de transmission 79
4.1 Bruit intrins`eque de la fibre et effets non-lin´eaires . . . . . . . . . . . 79
4.1.1 Att´enuation optique et rapport signal-`a-bruit . . . . . . . . . 79
4.1.2 R´eflexions optiques et bruit interf´erom´etrique . . . . . . . . . 84
4.1.3 Diffusion Brillouin stimul´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.1.4 Dispersion et PMD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.2 Perturbations externes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5 Compensation des fluctuations de phase 109
5.1 Principe du compensateur de phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.2 Conjugateur de phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.2.1 Principe et conception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.2.2 Evaluation et caract´erisation en laboratoire . . . . . . . . . . 116
5.3 Compensateur de phase optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.3.1 Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.3.2 Caract´erisation des performances du correcteur optique . . . 124
5.4 Caract´erisation des syst`emes de distribution, sur le lien optique LNE-
SYRTE/LPL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.5 Etude des limitations du syst`eme op´erant `a une fr´equence de 100 MHz132
5.5.1 Instabilit´es sur les temps d’int´egration longs . . . . . . . . . . 133
5.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6 Distribution de fr´equence `a 1 GHz 139
6.1 Am´eliorations apport´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.1.1 Modifications du conjugateur de phase pour op´erer `a une fr´equence
de 1 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.1.2 Syst`eme bi-fr´equences et filtrage optique . . . . . . . . . . . . 146
6.1.3 Brouillage de polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.1.4 Amplification optique `a l’aide d’EDFA . . . . . . . . . . . . . 151

5
6.2 R´esultats obtenus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
7 Transfert longues distances, vers le tout optique 163
7.1 Distribution avec r´ep´eteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.2 Modulation externe et modification de la fr´equence d’op´eration . . . 164
7.3 Le tout optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.3.1 Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
7.3.2 Quelques consid´erations sur le bruit . . . . . . . . . . . . . . 171
7.3.3 Exp´eriences r´ealis´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
7.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
Conclusion 183
Conclusion 183
A Exp´eriences men´ees et r´esultats 185
B Equation du champs ´emis et spectre optique 189
B.1 Modulation d’amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
B.2 Modulation de fr´equence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
B.3 Spectre optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
Bibliographie 191