Link in fibra ottica Torino-Firenze per confronti remoti di frequenza ad alta accuratezza
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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
Istituto Metrologico Nazionale in Italia
Si occupa della
Definizione,
Realizzazione
Disseminazione
Delle unità di misura del Sistema Internazionale
Metrologia
Industria
-strumentazione,
Fisica
-servizi di taratura
fondamentale Ricerca tecnologica -disseminazione
di riferimenti
stabili e accurati
Conferenza GARR 2011 - CNR Bologna - 8-10 Novembre 2011
Metrologia di Tempo e Frequenza
L'INRIM realizza la definizione del Secondo:
ll secondo è la durata di 9 192 631 770 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
Verso laAccuratezza
ridefinizione del Secondo
degli conal
orologi gliCesio
orologieottici
Ottici
-10
10 Essen Parry Iodine/HeNe
-11 H
10
Accuratezza relativa
-12
10 Ca
H
-13
10 Cs Comm.
-14 H
10 Lab Cs Beam
Hg+, Yb+, Sr+, Ca
-15
10 Orologi Cs Sr, Yb
-16 Orologi con Transizioni Ottiche
10 Al+, Hg+
-17
10 Al+
-18
10
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020
Anno
Conferenza GARR 2011 - CNR Bologna - 8-10 Novembre 2011
Orologio a Fontana di Cesio IT-CsF2 all'INRIM
Conferenza GARR 2011 - CNR Bologna - 8-10 Novembre 2011
Orologio Ottico a Atomi di Itterbio all'INRIM
Trappola Magneto-Ottica
Banco Ottico
Conferenza GARR 2011 - CNR Bologna - 8-10 Novembre 2011
Orologio Ottico a Atomi di Stronzio al LENS
Trappola Magneto-Ottica
Banco Ottico
Conferenza GARR 2011 - CNR Bologna - 8-10 Novembre 2011
Confronti Remoti di Orologi e Sincronizzazioni
-9
10 Te
-10 cn
10 ic h
e S
a te
-11 llit
Incertezza relativa
10 ar
i, G
PS
-12
10 or
TW
-13
10 L in
-14 Fon
ta n e
10 kO
ttic
o 9
di C
s
-15
10 00
km
re
-16 a li
10 zz
a to
-17
10 Orologi Ottici
-18
10
0 1 2 3 4 5 6 7
10 10 10 10 10 10 10 10
tempo di misura /s
Conferenza GARR 2011 - CNR Bologna - 8-10 Novembre 2011
INRIM Link di frequenza
OROLOGIO
PRIMARIO Cs
OROLOGIO
OTTICO Yb
in fibra ottica commerciale
PETTINE
“Ponte” di frequenza
OTTICO DI Tra orologio e laser 1.5 μm
FREQUENZA RETE FIBRA OTTICA
COMMERCIALE
LABORATORIO DI DESTINAZIONE
LASER LASER
ULTRASTABILE ULTRASTABILE
1.5 μm 1.5 μm
ELETTRONICA DI
AMPLIFICAZIONE
SISTEMA DI FREQUENZE OTTICHE
CANCELLAZIONE SEGNALI RF
DEL RUMORE SEGNALI DI TEMPO
(es. 5 MHz, 10 MHz, PPS)
Utilizza il segnale riflesso per compensare
le variazioni di lunghezza della fibra Accuratezza e Stabilità
Superiore a >10-14
Clivati et al., Selected Papers conf. GARR 2010
Laser Ultrastabile T
LASER IN
FIBRA/
DIODO LASER
COMMERCIALE AOM ν0 f
1.5 μm ν0+n(t) -n(t) V
ν0 + n(t) Cavità
Fabry-Pérot
f
Controllo Controllo + n(t) FotoDiodo
lento veloce
Cavità Ottica all'interno
del sistema da vuotoCancellazione del rumore
INRIM
LABORATORIO DI DESTINAZIONE
LASER
ULTRASTABILE
n(t)
1.5 μm
AOM1 AOM2 ν0-n(t)+ n(t)
ν0
ν0 ν0 +2fΑΟΜ1+2fΑΟΜ2+n(t) Faraday Mirror
FotoDiodo
2fΑΟΜ1+2fΑΟΜ2+ n(t)
Maser -n(t)
2fΑΟΜ1+2fΑΟΜ2
Interferometro in fibra per
compensazione del rumoreDimostrazione di fattibilità:
Link Ottico all'INRIM (100 km in lab)
-14
10
Incertezza relativa di frequenza
link free running
-15
10
-16
10
orologio ottico
-17
10
-18
10
link compensato
-19
10 0 1 2 3 4
10 10 10 10 10
Tempo di Misura /s
Clivati et al., IEEE Trans. on Ultrason., Ferroelect., And Freq. Control, Dec. 2011Link Ottico Reale: INRIM- UNIFI (prin 2012-2013)
TORINO
450-500 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 tempoAmplificazione del segnale ottico
Torino-Firenze: 450 km
~150 km ~150 km ~150 km
INRIM LENS-UNIFI
λ = 1542-1543 nm < +25 dB < +25 dBArchitetture possibili:
1) RETE OTTICA con Fibra Dedicata (Dark Fiber)
Torino-Firenze: 450 km
~150 km ~150 km ~150 km LENS-UNIFI
INRIMArchitetture possibili:
1) RETE OTTICA con Canale Dedicato (Dark Channel)
Torino-Firenze: 450 km
~150 km ~150 km ~150 km
INRIM LENS-UNIFI
OADM: OADM:
λ = 1542-1543 nm ESTRAZIONE/ ESTRAZIONE/
FWHM < 20 Hz INNESTO INNESTO
P < 5 mW
S/N out ~ 80 dB
S/N back ~ 26 dB? λ = 1542-1543 nm
FWHM < 20 Hz
P < 5 mW
S/N ~ 53 dB?
Requisiti della rete: - Implementazione più complessa
- Continuità ottica - Perdita totale maggiore
(no conversioni ottico/elettrico) - Rumore da canali adiacenti?
- Bidirezionalità - Costo ridotto
- Stesso percorso nel doppio passaggio H. Schnatz et al., “A 900 km long optical fiber link for
remote comparison of frequency standards”,
presentato all'IFCS/EFTF 2011, San Francisco, CAStazioni di ripetizione:
1) RETE OTTICA con Fibra Dedicata (Dark Fiber)
DA INRIM
VERSO INRIM
N-1 Stazione N-esima N+1
AOM
Coupler
Faraday MirrorStazioni di ripetizione:
1) RETE OTTICA con Canale Dedicato (Dark Channel)
DA INRIM
VERSO INRIM
TRAFFICO INTERNET
N-1 OADM OADM N+1
(Drop) (Drop)
(Add) (Add)
AOM
Coupler
Faraday MirrorVerso 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 networksVerso un Network in Fibra di Istituzioni
Scientifiche Italiane?
MILANO, IFN-CNR
TORINO, INRIM
BOLOGNA, INAF
FIRENZE, UNIFI
Progetto Premiale proposto al MIUR da questi istituti
LENS, INO-CNR
Conferenza GARR 2011 - CNR Bologna - 8-10 Novembre 2011Link 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 2011 - CNR Bologna - 8-10 Novembre 2011Link Ottico per l'esperimento Opera al
Laboratorio Nazionale Gran Sasso
CERN
Modane Milano
Torino
TORINO- FIRENZE 450-500 km Firenze
TORINO MODANE 100 km
MODANE – GINEVRA 190 km
FIRENZE-L’AQUILA 400 km Gran Sasso
CERN-TORINO-GRAN SASSO : 1100 kmConclusioni
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 2011 - CNR Bologna - 8-10 Novembre 2011Puoi anche leggere
