Trois laboratoires bisontins, le LCEP − laboratoire de Chronométrie électronique et piézoélectricité −, le LPMO − laboratoire de Physique et métrologie des oscillateurs − (tous deux départements du nouvel institut FEMTO-ST) et l'observatoire de Besançon mènent des recherches complémentaires dans le domaine de la métrologie du temps et des fréquences. Pour deux d'entre eux (LPMO et observatoire), ces recherches sont relayées par une activité de service certifiée ISO 17025, qui consiste à réaliser des calibrages et des étalonnages complémentaires de sources de signaux tels que des horloges atomiques, des oscillateurs ou encore des synthétiseurs. Ces trois laboratoires possèdent tous des sources de signaux de très haute stabilité, mais de nature différente. Ainsi, l'observatoire entretient trois horloges atomiques à jet de césium − participant au Temps atomique français (TAF) et au Temps atomique international (TAI) − qui sont actuellement les dispositifs les plus stables sur le long terme (plusieurs jours). Le LCEP possède un maser à hydrogène qui est une horloge atomique de type actif et qui présente une excellente stabilité sur le moyen terme (la journée). Enfin, le LPMO met au point des oscillateurs micro-ondes cryogéniques, très stables sur le court terme (durées inférieures à 24 h). Ainsi, sur le site de Besançon, dans un rayon de quelques centaines de mètres, sont rassemblés des horloges et des oscillateurs aux performances exceptionnelles et complémentaires.
Mettre en commun ces trois sources permet donc à chaque laboratoire d'avoir accès à des zones de stabilité très étendues, ce qui offre de nombreux avantages. Des validations métrologiques, des comparaisons croisées par exemple, peuvent maintenant être entreprises. Il est alors possible de caractériser sans difficulté les fluctuations de fréquence à long terme d'un oscillateur cryogénique en le comparant avec une horloge atomique (maser ou césium). Ainsi, l'accès à une très haute stabilité, quelle que soit la durée d'intégration, est un outil très précieux permettant de faire progresser les recherches. Précédemment, la mise au point d'un nouveau prototype d'oscillateur ou d'horloge ultra-stable nécessitait très souvent de réaliser deux dispositifs identiques. La stabilité de fréquence était caractérisée en comparant ces deux prototypes.
Cette procédure longue et coûteuse peut maintenant être simplifiée grâce à la disponibilité de signaux de référence constituant l'état de l'art en terme de stabilité. Un nouveau principe ou une nouvelle idée peuvent alors être validés plus rapidement. Ensuite, pour les services de métrologie accrédités, cet accès doit permettre à terme d'améliorer les incertitudes et d'étendre la gamme des mesures réalisées. Enfin, il est possible de développer sur la base des références disponibles une échelle de temps locale qui présenterait des performances de stabilité exceptionnelles. Ceci est actuellement un sujet d'étude en développement dans les laboratoires.
• Le système de transfert est fondé sur un lien par fibres optiques spécialement mises en place pour cette application. Un faisceau de 6 fibres est actuellement disponible entre chacun des trois laboratoires. Les signaux de référence générés par les sources de haute stabilité sont utilisés pour moduler l'amplitude d'un faisceau lumineux émis par une diode laser à 1,3 œm. Ce signal optique modulé en amplitude est transmis par la fibre optique au laboratoire destinataire. Là, un système de réception permet d'extraire le signal de référence initial. Chacun des laboratoires est équipé d'un émetteur et d'un récepteur permettant de couvrir la gamme 5MHz-1GHz.
Ce lien unidirectionnel est généralement suffisant pour qui s'intéresse à la stabilité de fréquence sur des durées inférieures à quelques centaines de secondes. Par contre, pour des stabilités plus grandes et des durées supérieures, le transfert est perturbé par la sensibilité de la fibre aux variations de températures. Sous l'influence de la dilatation thermique, celle-ci s'allonge, ce qui affecte la phase de signal reçu (puisque la longueur du trajet a varié). Il est alors nécessaire de corriger ces fluctuations de phase. Un premier dispositif déjà efficace a été étudié et mis en place conjointement par les trois acteurs. Il nécessite cette fois deux fibres entre le site émetteur et le site récepteur. Une fois reçu, le signal est renvoyé vers le site émetteur où il est comparé au signal émis. La comparaison entre les phases de ces deux signaux permet de déterminer la variation de longueur de la fibre en temps réel. Un dispositif d'asservissement permet alors de corriger ces fluctuations.
Vincent Giordano
Département LPMO – Institut FEMTO-ST (UMR CNRS 6174)
Université de Franche-Comté / ENSMM / UTBM
Tél. 03 81 85 39 73
giordano@lpmo.edu
François Vernotte
Observatoire des Sciences de l'univers de Besançon (UMR CNRS 6091)
Université de Franche-Comté
Tél. 03 81 66 69 00
francois@obs-besancon.fr
Serge Galliou
Département LCEP – Institut FEMTO-ST (UMR CNRS 6174)
Université de Franche-Comté / ENSMM / UTBM
Tél. 03 81 40 28 39
sgalliou@ens2m.fr
