Développement de liens optiques ultra-stables pour le transfert de fréquences à longues distances

The transfer of ultra-stable frequencies between distant laboratories is required by many applications in time and frequency metrology, fundamental physics, particle accelerators and astrophysics. This thesis describes the development of ultra-stable optical links over distances from 86 km to 300 km. The long-term objective is to connect the main European National Metrology Institutes with optical links extending up to 1000 km. The optical link is based on the transfer of the optical phase of an ultra-stable laser emitting light of wavelength 1542 nm through an optical fiber of the telecommunication network. For that purpose, ultra-stable cavity-stabilized lasers and fiber-stabilized lasers have been developed. The fractional instability of cavity-stabilized laser is approximately 10-15 at 1s integration time. The fiber-stabilized lasers are robust, compact, simple, tunable and their frequency noise is comparable to that of the cavity-stabilized laser for Fourier frequencies higher than a few tens of Hertz. Optical links were first demonstrated on 86 km and 172 km using dedicated fibers connecting the laboratories LNE-SYRTE and LPL. Fractional frequency instability in the range of or below 10-19 at 104 s integration time has been obtained. For larger distances, the ultra-stable laser signal is transferred on the Internet network simultaneously with the data traffic but on a dedicated frequency channel, using wavelength division multiplexing. Multiplexed links were demonstrated over distances up to 300 km, with fractional frequency instabilities at the same level or better than with dedicated fibers.Le transfert des fréquences ultra-stables entre laboratoires distants est requis par de nombreuses applications concernant la métrologie temps/fréquence, la physique fondamentale, les accélérateurs de particules et l'astrophysique. Cette thèse décrit le développement de liaisons optiques ultra-stables sur des distances de 86 à 300 km. L'objectif à long terme est de développer des liens optiques de 1000 km environ afin de relier les principaux instituts nationaux de métrologie en Europe. Le lien optique est basé sur le transfert de la phase optique d'un laser ultra-stable de longueur d'onde 1542 nm par une fibre optique du réseau de télécommunications. Pour cela ont été développés des lasers stabilisés sur cavité Fabry-Perot et sur fibre optique. L'instabilité relative des lasers stabilisés sur cavité est de l'ordre de 10-15 pour un temps d'intégration de 1 s. Les lasers stabilisés sur fibre sont robustes, compacts, simples, accordables et leur bruit de fréquence est comparable à celui des lasers stabilisés sur cavité pour des fréquences supérieures à quelques dizaines de Hertz. Les liens optiques ont d'abord été démontrés sur 86 km et 172 km en utilisant des fibres dédiées reliant les laboratoires LNE-SYRTE et LPL. L'instabilité relative de fréquence obtenue était de l'ordre de 10-19 pour des temps d'intégration de 104 s. Pour des distances plus grandes, le signal ultra-stable est transféré directement sur le réseau Internet en utilisant un canal de fréquence dédiée, par la technique de multiplexage en longueur d'ondes. Un lien multiplexé a ainsi été démontré sur une distance de 300 km, avec une instabilité relative de fréquence au même niveau qu'avec des fibres dédiée