Réseaux de liens fibrés en métrologie pour la dissemination de fréquence : étude, exploitation, et sensibilités à l'effet Sagnac et autres perturbations terrestres

Understanding and exploiting metrological fiber networks for Sagnac sensing, frequency dissemination and geosensing

• Auteur / Autrice : Mads Tønnes
• Direction : Sébastien Bize
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 21/11/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : SYstèmes de de Référence Temps-Espace
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Carlo Sirtori
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Bize, François Vernotte, Pascale Defraigne, Cecilia Clivati
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Vernotte, Pascale Defraigne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fibres optiques

Horloges atomiques

Interférométrie

Mots clés libres

Métrologie

Instrumentation

Reseau fibre

Sagnac

Interferometrie

Optique

Metrology

Instrumentation

Fiber network

Sagnac

Interferometry

Optics

Résumé

Les horloges atomiques sont les outils modernes de la mesure du temps. Depuis la redéfinition de la seconde en 1967 fondée sur l'interrogation d'une transition atomique du Césium 133, les horloges atomiques se sont considérablement améliorées. Cela a conduit à de nombreuses avancées technologiques au cours des 55 dernières années, dont beaucoup nécessitent un transfert précis des signaux de temps et de fréquence, un exemple important étant le système de positionnement global (GPS). Avec les récents progrès des horloges atomiques de dernière génération, dites optique, les moyens traditionnels de diffusion des signaux d'horloge(s) ne sont plus adaptés si on n'accepte pas de ne pas dégrader leurs performances. La mise en œuvre d'une nouvelle technologie a été développée à cette fin dans plusieurs pays du monde ces dernières années. Elle utilise les fibres optiques comme support pour transférer et comparer les signaux des références de fréquence atomique. Dans cette thèse, j'aborderai la mise en œuvre d'un réseau de fibres optiques en France. Je discuterai des processus généraux de bruit de ces liaisons par fibre optique, et de leurs limites techniques et fondamentales. Des études approfondies de plusieurs applications d'un réseau de fibres sont présentées. Celles-ci incluent l'évaluation de la contribution de l'incertitude du réseau français de fibres optiques à la comparaison des horloges optiques. Ensuite, je présenterai une études sur l'utilisation de réseaux de fibres pour la détection de phénomènes géophysiques. Cela inclut la détection de l'effet Sagnac dans un lien à fibre déployé dans une topologie en anneau autour de Paris. Ensuite, je montrerai une étude de la détection des tremblements de terre avec le réseau de fibres français, et je discuterai des perspectives d'utilisation d'une telle technologie.

Atomic clocks are the modern tools of timekeeping. Ever since the redefinition of the second in 1967 based on an atomic transition of Cesium 133, the atomic clocks have improved drastically. This has lead to many technological advancements the last 55 years, many of which require precise transfer of time and frequency signals, a prominent example being the Global Positioning System (GPS). With the recent advancements of the last generation of state-of-the-art atomic clocks, so called optical clocks, traditional means of disseminating their signals without degrading their performance are no longer adequate. The implementation of a new technology for such purposes has in recent years been implemented in several countries around the world, which utilizes optical fibers as a medium to transfer and compare the signals of the atomic frequency references.In this thesis, I discuss the exploitation of such an optical fiber network in France. I discuss the general noise processes of such fiber links, and their technical and fundamental limits. In-depth studies of several applications of a fiber network is presented. These include the evaluation of the uncertainty contribution of the French fiber network to the comparison of optical clocks. I also show studies of the use of fiber networks for the sensing of effects arising from the Earth. This includes the sensing of the Sagnac effect in a fiber link deployed in a ring topology around Paris, a study of the detection of earthquakes with the French fiber network, and a discussion of the prospects of the use of such a technology.