Pour la première fois, des chercheurs ont démontré qu'une référence de fréquence stable peut être transmise de manière fiable sur plus de 300 kilomètres sur un réseau de télécommunications à fibre optique standard et utilisée pour synchroniser deux radiotélescopes. Références de fréquence stables, qui servent à étalonner les horloges et les instruments qui effectuent des mesures ultraprécises, ne sont généralement accessibles que dans les installations qui les génèrent à l'aide d'horloges atomiques coûteuses. La nouvelle technologie pourrait permettre aux scientifiques de n'importe où d'accéder à l'étalon de fréquence simplement en se branchant sur le réseau de télécommunications.

La possibilité d'envoyer des références de fréquence stables sur le réseau de télécommunications pourrait être particulièrement utile pour les réseaux de radiotélescopes tels que le Square Kilometer Array (SKA), un effort international pour construire le plus grand radiotélescope du monde en utilisant des réseaux en Australie et en Afrique du Sud. Une fois terminé, SKA détectera les ondes radio faibles de l'espace lointain avec une sensibilité environ 50 fois supérieure à celle du télescope Hubble. Des radiotélescopes individuels seront reliés pour créer une zone de collecte totale d'environ 1 million de mètres carrés.

Relier les radiotélescopes dans un réseau nécessite que chaque télescope ait accès à une horloge atomique pour enregistrer l'heure précise à laquelle un signal est détecté à partir d'un objet dans l'espace. La focalisation de tous les télescopes sur le même objet, puis le calcul des légères différences dans le temps nécessaire pour que le signal atteigne chaque télescope permet aux chercheurs de combiner toutes les observations et de localiser l'objet et d'autres caractéristiques. Des références transmises stables pourraient être utilisées pour calibrer le temps relatif à chaque télescope, éliminant le besoin de plusieurs horloges atomiques dans un réseau de radiotélescopes.

Dans Optique , des chercheurs d'un consortium d'institutions australiennes rapportent la transmission réussie d'une référence de fréquence stable entre deux radiotélescopes via une liaison fibre et démontrent que les performances de la technique sont supérieures à l'utilisation d'une horloge atomique sur chaque télescope. Le consortium comprenait le réseau universitaire et de recherche australien (AARNet), l'Université nationale australienne, l'Organisation de recherche scientifique et industrielle du Commonwealth (CSIRO), l'Institut national de mesure, Université Macquarie et Université d'Adélaïde.

Les résultats montrent que la technique est capable de compenser les fluctuations du signal dans le réseau de fibres optiques introduites par des facteurs environnementaux tels que les changements de température ou les vibrations. La démonstration a même été réalisée sur un réseau qui transmettait en même temps du trafic de télécommunications en direct.

Test avec le trafic réseau en direct

"En réalisant l'expérimentation sur des fibres optiques véhiculant également un trafic normal, nous avons montré que la transmission de la norme de fréquence stable n'affecte pas les données ou les appels téléphoniques sur les autres canaux, " a déclaré Kenneth Baldwin, membre de l'équipe de recherche de l'Université nationale australienne. "Cela est nécessaire pour obtenir la coopération des entreprises de télécommunications qui possèdent ces réseaux de fibre."

Surtout, la nouvelle technique ne nécessite aucune modification substantielle du reste du réseau de fibre optique et est facile à mettre en œuvre. Pour maintenir la fréquence stable pendant la transmission, les chercheurs envoient le signal via le réseau vers une destination, puis le renvoient. Le signal de retour est utilisé pour déterminer si des changements se sont produits. Après chaque aller-retour, tout décalage de fréquence transmis est soustrait passivement pour compenser exactement les changements mesurés.

Pour 100 kilomètres de fibre, l'aller-retour prend environ 1 milliseconde. Même si le processus d'indemnisation se déroule très rapidement, le temps à l'extrémité de réception peut dériver pendant les allers-retours. Pour résoudre ce problème, un oscillateur à quartz à l'emplacement distant maintient le temps constant entre les allers-retours.

"La fréquence de l'oscillateur à quartz finira également par dériver, ainsi notre procédé unique combine la stabilisation locale avec l'oscillateur à quartz pour de courtes durées, avec la stabilisation plus longue (supérieure au temps aller-retour) fournie par la technique de référence de fréquence stable transmise, " a déclaré Baldwin. " Cette méthode très stable pour transmettre la référence de fréquence permet une horloge atomique, qui a coûté environ deux cent mille dollars, être remplacé par un système qui ne coûte que quelques dizaines de milliers de dollars."

Démonstration de la transmission longue distance

Pour démontrer leur méthode, les chercheurs ont commencé avec un type d'horloge atomique connu sous le nom de maser à hydrogène situé dans le CSIRO Australia Telescope Compact Array (ATCA). Ils ont imprimé le signal de référence radiofréquence du maser sur un faisceau laser qui a ensuite traversé une fibre AARNet de 155 kilomètres et plusieurs étages d'amplification jusqu'à un deuxième radiotélescope, et retour. Une fois le processus d'indemnisation entamé, la référence a été captée par le radiotélescope à l'autre extrémité de la connexion.

Les chercheurs ont utilisé la référence de fréquence stable pour étalonner les deux télescopes, qui ont été utilisés pour examiner le même objet dans l'espace. Ils ont découvert que plutôt que le signal de fréquence stable limitant les performances des télescopes, les différences atmosphériques entre les deux emplacements étaient le facteur limitant. Pour éliminer les interférences atmosphériques et mieux comprendre comment la nouvelle méthode a amélioré les performances du télescope, les chercheurs ont ensuite utilisé une seule antenne de télescope à l'ATCA équipée de deux récepteurs distincts pour prendre des mesures. Cette méthode « d'antenne divisée » a permis de comparer un récepteur stabilisé par le maser à hydrogène à l'autre récepteur stabilisé en utilisant la référence de fréquence stable qui a été envoyée sur un aller-retour de 310 kilomètres à travers la fibre.

"Nos expériences ont montré que la référence de fréquence transmise était très stable, nettement plus stable que l'atmosphère terrestre, " a déclaré Baldwin. "Notre approche consistant à reproduire exactement le signal de fréquence stable d'une horloge atomique a fonctionné au moins aussi bien que deux horloges atomiques, qui peuvent présenter de légères différences les unes par rapport aux autres."

Les chercheurs affirment que leur démonstration montre que la nouvelle méthode est prête à être mise en œuvre par les radioastronomes qui souhaitent éviter d'utiliser plusieurs horloges atomiques sur un réseau de télescopes. La méthode peut être utilisée sur des distances encore plus longues en utilisant plus d'amplificateurs pour amplifier le signal. Cela permettrait également de diffuser des références de fréquences stables sur un réseau national de fibre optique, où tout scientifique ayant accès à un réseau de télécommunications pourrait les utiliser.

"Quand les horloges atomiques ont été inventées, personne ne pensait qu'ils fourniraient des normes de synchronisation qui seraient utilisées pour la navigation GPS, par exemple, " dit Baldwin. " Nous espérons que de la même manière, un accès facile à des étalons de fréquence qui sont tout aussi stables que ceux trouvés dans un laboratoire de mesure national sera une technologie habilitante pour de nombreuses applications qui nécessitent une synchronisation précise et des mesures de fréquence précises. »