Thèse soutenue

Transfert de temps à longue distance utilisant des liaisons à fibre optique et comparaison croisée avec des méthodes par satelliteires

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Auteur / Autrice : Namneet Kaur
Direction : Philip Tuckey
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
Date : Soutenance le 20/04/2018
Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Observatoire de Paris. Département d'astronomie fondamentale - Systèmes de Référence Temps Espace
établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
Jury : Président / Présidente : Fabienne Casoli
Examinateurs / Examinatrices : Philip Tuckey, François Vernotte, Catherine Algani, Javier Díaz, Jean-Pierre Aubry, Paul-Eric Pottie
Rapporteurs / Rapporteuses : François Vernotte, Catherine Algani

Résumé

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Les références de temps et de fréquence sont largement distribuées sur réseaux informatique et de communications, pour une large gamme d'applications scientifiques et industrielles. Poussé par une demande pour de meilleures performances, un certain nombre de nouvelles méthodes de transfert de temps et de fréquence sur des réseaux à fibres optiques ont été développées ces dernières années. Dans cette thèse, notre objectif est de développer une approche de transfert de temps et de fréquence multi-utilisateurs, compatible avec les réseaux de télécommunications et compétitive avec la distribution de temps par GNSS. Nous nous intéressons donc aux méthodes pour les réseaux à commutation par paquets, comme le NTP (Network Time Protocol) et le PTP (Precision Timing Protocol). Nous nous concentrons également sur les liaisons “unidirectionnelles”, où les signaux aller et retour entre les nœuds de réseau se propagent sur des fibres distinctes, non au sein d’une même fibre (liaisons “bidirectionnelles”). En particulier, nous utilisons une méthode appelée White Rabbit PTP (WR). Développée au CERN, basée sur PTP, utilisant l’Ethernet synchrone et d'autres techniques pour atteindre des performances élevées, WR réalise une stabilité du temps sous-nanoseconde pour la synchronisation d'instruments sur des réseaux à l'échelle de 10 km. Nous sommes particulièrement intéressés par l'extension de cette méthode pour la distribution de références au niveau régional ou national, sur des liaisons allant jusqu'à 1000 km.Nous étudions d’abord les performances de l'équipement réseau White Rabbit, en particulier le commutateur White Rabbit. Nous y apportons diverses améliorations : sur le verrouillage du commutateur grand maître à la référence externe, améliorant ainsi sa stabilité à court terme de plus d'un ordre de grandeur ; sur la bande passante de verrouillage du commutateur esclave ; et en augmentant le débit des messages PTP entre les commutateurs maître et esclave.Nous étudions ensuite les liaisons WR moyennes et longues distances. Nous construisons un lien unidirectionnel de 100 km en utilisant des bobines de fibres dans le laboratoire. Nous découvrons que la performance à court terme est limitée par la dispersion chromatique de la fibre, tandis que la performance à long terme est dégradée par le bruit thermique. Pour limiter l'effet de la dispersion chromatique sur les liaisons longue distance, nous proposons l'utilisation d'une approche en cascade. Nous réalisons un lien en cascade de 500 km, à nouveau avec des bobines de fibres. Nous utilisons le multiplexage en longueur d'onde dense pour construire ce lien par des passages multiples à travers des bobines plus courtes. Nous obtenons une stabilité de transfert de fréquence de 2 × 10-12 à une seconde de temps d'intégration et de 5 × 10-15 en un jour, limitée par le bruit thermique à long terme. Nous obtenons une stabilité temporelle de 5 ps à une seconde de temps d'intégration, diminuant jusqu'à un minimum de 1,2 ps à 20 secondes et restant inférieure à une nanoseconde pour des durées plus longues. Ces performances sont similaires à court terme, et deux ordres de grandeur meilleures à long terme, qu’un récepteur GPS de bonne qualité. Nous nous attendons à ce que les fluctuations thermiques et donc l'effet du bruit thermique des fibres soient réduits d'un facteur d'environ cinq pour les installations sur le terrain.Enfin, nous faisons des études préliminaires sur l'étalonnage en temps des liaisons WR. Le principal défi est de mesurer l'asymétrie de longueur optique entre les deux fibres utilisées pour le transfert des signaux aller et retour. Nous démontrons une technique d'échange de fibres, en utilisant une liaison suburbaine White Rabbit sur fibre noire. Nous décrivons et testons ensuite une nouvelle méthode variationnelle pour l'étalonnage, impliquant une méthode de mesure différentielle basée sur l'exploitation de deux liaisons WR à différentes longueurs d'onde sur la même liaison.