Link in fibra ottica Torino-Firenze per confronti remoti di frequenza ad alta accuratezza

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1 Link in fibra ottica Torino-Firenze per confronti remoti di frequenza ad alta accuratezza C. Clivati1,2, D. Calonico2, A. Mura2, F. Levi2, G. A. Costanzo1, N. Poli3, A. Godone1 1 Politecnico di Torino 2 INRIM Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica - Torino 3 Dipartimento di Fisica e Astronomia Università di Firenze e LENS Realizzato con i fondi della 1

2 Istituto Metrologico Nazionale in Italia Si occupa della Definizione, Realizzazione Disseminazione Delle unità di misura del Sistema Internazionale Metrologia Fisica fondamentale Ricerca tecnologica Conferenza GARR CNR Bologna - 8- Novembre 2011 Industria -strumentazione, -servizi di taratura -disseminazione di riferimenti stabili e accurati

3 Metrologia di Tempo e Frequenza L'INRIM realizza la definizione del Secondo: ll secondo è la durata di periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra i due livelli iperfini dello stato fondamentale dell atomo di cesio 133. Il segnale disseminato è utilizzato per: Scala di tempo internazionale, ora legale in Italia Esperimenti di Fisica fondamentale (Relatività, Modello Standard), Fisica Atomica, Radioastronomia, Spettroscopia Sincronizzazione e calibrazione di sistemi di Navigazione Satellitare Industria Spaziale e delle Telecomunicazioni Orologio Atomico a fontana di Cesio ITCs-F1 all'inrim

4 Verso laaccuratezza ridefinizione del Secondo conal glicesio orologieottici degli orologi Ottici Accuratezza relativa Essen Parry Iodine/HeNe H Ca H Cs Comm. Lab Cs Beam H Hg+, Yb+, Sr+, Ca Orologi Cs Orologi con Transizioni Ottiche Sr, Yb Al+, Hg+ Al Anno Conferenza GARR CNR Bologna - 8- Novembre 2011

5 Orologio a Fontana di Cesio IT-CsF2 all'inrim Conferenza GARR CNR Bologna - 8- Novembre 2011

6 Orologio Ottico a Atomi di Itterbio all'inrim Trappola Magneto-Ottica Banco Ottico Conferenza GARR CNR Bologna - 8- Novembre 2011

7 Orologio Ottico a Atomi di Stronzio al LENS Trappola Magneto-Ottica Banco Ottico Conferenza GARR CNR Bologna - 8- Novembre 2011

8 Confronti Remoti di Orologi e Sincronizzazioni Incertezza relativa Te L in cn ic h e S a te llit ar i, G PS or TW Fon ta n e ko di C ttic s o 9 00 km re a li zz a to Orologi Ottici tempo di misura /s Conferenza GARR CNR Bologna - 8- Novembre

9 Link di frequenza in fibra ottica commerciale INRIM OROLOGIO PRIMARIO Cs PETTINE OTTICO DI FREQUENZA OROLOGIO OTTICO Yb Ponte di frequenza Tra orologio e laser 1.5 μm RETE FIBRA OTTICA COMMERCIALE LABORATORIO DI DESTINAZIONE LASER ULTRASTABILE 1.5 μm LASER ULTRASTABILE 1.5 μm ELETTRONICA DI AMPLIFICAZIONE SISTEMA DI CANCELLAZIONE DEL RUMORE Utilizza il segnale riflesso per compensare le variazioni di lunghezza della fibra Clivati et al., Selected Papers conf. GARR 20 FREQUENZE OTTICHE SEGNALI RF SEGNALI DI TEMPO (es. 5 MHz, MHz, PPS) Accuratezza e Stabilità Superiore a >-14

10 Laser Ultrastabile LASER IN FIBRA/ DIODO LASER COMMERCIALE 1.5 μm AOM ν0 + n(t) Controllo lento Controllo veloce ν0+n(t) -n(t) + n(t) T ν0 Cavità Fabry-Pérot V FotoDiodo Cavità Ottica all'interno del sistema da vuoto f f

11 Cancellazione del rumore INRIM LABORATORIO DI DESTINAZIONE LASER ULTRASTABILE 1.5 μm n(t) AOM1 ν0 ν0 ν0 +2fΑΟΜ1+2fΑΟΜ2+n(t) AOM2 ν0-n(t)+ n(t) Faraday Mirror FotoDiodo 2fΑΟΜ1+2fΑΟΜ2+ n(t) Maser -n(t) 2fΑΟΜ1+2fΑΟΜ2 Interferometro in fibra per compensazione del rumore

12 Incertezza relativa di frequenza Dimostrazione di fattibilità: Link Ottico all'inrim (0 km in lab) -14 link free running orologio ottico link compensato Tempo di Misura /s 4 Clivati et al., IEEE Trans. on Ultrason., Ferroelect., And Freq. Control, Dec. 2011

13 Link Ottico Reale: INRIM- UNIFI (prin ) TORINO km FIRENZE Obiettivi primari: - Confronti remoti fra gli orologi di INRIM e LENS-UNIFI - Misure spettroscopiche assolute - Test di fisica atomica fondamentale Ricadute/Applicazioni: - Sviluppo della tecnologia necessaria alla disseminazione via fibra -Test e applicazioni di prodotti commerciali - Possibile estensione/disseminazione verso altri tipi di laboratori 13 - Sviluppo nuove tecniche di disseminazione di segnali di tempo

14 Amplificazione del segnale ottico Torino-Firenze: 450 km ~150 km ~150 km ~150 km INRIM λ = nm FWHM < 20 Hz P < 5 mw S/N out ~ 80 db S/N back ~ 26 db? LENS-UNIFI <+25 db < +25 db < +25 db -34 db -34 db -34 db Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) bidirezionali Guadagno < +25 db Controllo remoto via Internet? Perdite: 0.23 db/km + (~ 0.6) db/connettore+ +perdite allacciamento? Perdita complessiva stimata: ~120 db Conferenza GARR CNR Bologna - 8- Novembre 2011 λ = nm FWHM < 20 Hz P < 5 mw S/N ~ 53 db?

15 Architetture possibili: 1) RETE OTTICA con Fibra Dedicata (Dark Fiber) Torino-Firenze: 450 km ~150 km ~150 km ~150 km INRIM λ = nm FWHM < 20 Hz P < 5 mw S/N out ~ 80 db S/N back ~ 26 db? < +25 db < +25 db -34 db -34 db -34 db (EDFA) bidirezionali Requisiti della rete: - Continuità ottica (no conversioni ottico/elettrico) - Bidirezionalità - Stesso percorso nel doppio passaggio LENS-UNIFI <+25 db λ = nm FWHM < 20 Hz P < 5 mw S/N ~ 53 db? - Implementazione più semplice - Perdita totale minore possibile - No rumore da canali adiacenti - Disponibilità della fibra - Costo maggiore O. Lopez et al., Cascaded multiplexed optical link on a telecommunication network for frequency dissemination, Opt. Exp., 18, 16849, 20.

16 Architetture possibili: 1) RETE OTTICA con Canale Dedicato (Dark Channel) INRIM λ = nm FWHM < 20 Hz P < 5 mw S/N out ~ 80 db S/N back ~ 26 db? Torino-Firenze: 450 km ~150 km ~150 km ~150 km OADM: ESTRAZIONE/ INNESTO Requisiti della rete: - Continuità ottica (no conversioni ottico/elettrico) - Bidirezionalità - Stesso percorso nel doppio passaggio OADM: LENS-UNIFI ESTRAZIONE/ INNESTO λ = nm FWHM < 20 Hz P < 5 mw S/N ~ 53 db? - Implementazione più complessa - Perdita totale maggiore - Rumore da canali adiacenti? - Costo ridotto H. Schnatz et al., A 900 km long optical fiber link for remote comparison of frequency standards, presentato all'ifcs/eftf 2011, San Francisco, CA

17 Stazioni di ripetizione: 1) RETE OTTICA con Fibra Dedicata (Dark Fiber) DA INRIM VERSO INRIM N-1 Stazione N-esima AOM Coupler Faraday Mirror N+1

18 Stazioni di ripetizione: 1) RETE OTTICA con Canale Dedicato (Dark Channel) DA INRIM VERSO INRIM TRAFFICO INTERNET N-1 OADM (Drop) (Add) AOM Coupler Faraday Mirror OADM (Drop) (Add) N+1

19 Verso un Network in Fibra tra i principali Istituti Europei HANNOVER LONDRA PARIGI MONACO CERN MODANE TORINO FIRENZE Gran sasso, Fucino PTB-INRIM-SYRTE-NPL et al. (coordinatore H. Schnatz) Joint Research Project, European Metrology Research Programme (EMRP) Accurate time/frequency comparison and dissemination through optical telecommunication networks

20 Verso un Network in Fibra di Istituzioni Scientifiche Italiane? MILANO, IFN-CNR TORINO, INRIM BOLOGNA, INAF Progetto Premiale proposto al MIUR da questi istituti Conferenza GARR CNR Bologna - 8- Novembre 2011 FIRENZE, UNIFI LENS, INO-CNR

21 Link Ottico per l'esperimento Opera al Laboratorio Nazionale Gran Sasso Sincronizzazione CERN-LNGS via satellite (GPS common view) Accuratezza: ~ 1 ns Un link in fibra ottica potrebbe offrire Timing migliore: Riduzione delle incertezze Riduzione dei ritardi Conferenza GARR CNR Bologna - 8- Novembre 2011

22 Link Ottico per l'esperimento Opera al Laboratorio Nazionale Gran Sasso CERN Modane Torino Milano TORINO- FIRENZE km TORINO MODANE 0 km MODANE GINEVRA 190 km FIRENZE-L AQUILA 400 km CERN-TORINO-GRAN SASSO : 10 km Firenze Gran Sasso

23 Conclusioni Le tecniche di trasferimento di tempo e frequenza su fibra sono le uniche adeguate agli scopi: interesse crescente in ambiti scientifici e tecnologici Sono possibili applicazioni anche in ambiti diversi (industria delle telecomunicazioni, aerospaziale, laboratori di ricerca scientifica, tecnologica/industriale) L Italia è presente in progetti di avanguardia, in collaborazione con altri Istituti Europei INRIM e UNIFI hanno un progetto finanziato per un link ottico Torino-Firenze GARR-X è l'infrastruttura adatta per questa tecnologia Conferenza GARR CNR Bologna - 8- Novembre 2011