Lien optique aéroportée pour la physique fondamentale, la géodésie chronométrique et la comparaison de fréquences // Airborne optical link for fundamental physics, chronometric geodesy and frequency dissemination

Les liaisons laser en espace libre de nouvelle génération exploitent la phase de la porteuse optique pour des mesures scientifiques, par exemple pour comparer des horloges distantes ou mesurer des distances avec un très faible bruit (détection d'ondes gravitationnelles, télémétrie Doppler optique). De plus, la modulation de la phase optique permet la transmission de données à très haut débit, comme c'est déjà le cas pour les fibres optiques.

Ces mesures servent ensuite, par exemple, à déterminer la différence de champ gravitationnel entre deux horloges distantes en mesurant leur décalage de fréquence relativiste (décalage gravitationnel vers le rouge). Cette nouvelle méthode, rendue possible par les progrès spectaculaires des horloges atomiques, est connue sous le nom de « géodésie chronométrique » [1,2] et requiert une liaison de fréquence ultra-stable entre les horloges distantes.

Le projet TOFU (Transfert Optique de Fréquence Ultrastable), mené en collaboration entre SYRTE/CNES et l'Université d'Australie-Occidentale (UWA), a permis d'établir une première liaison optique en espace libre entre deux bâtiments du CNES à Toulouse [3]. Depuis, le projet s'est concentré sur l'extension de cette liaison à une plateforme aéroportée. Les premiers essais avec un ballon captif sur le site d'essais du CNES à Aire-sur-Adour ont eu lieu entre 2022 et 2025. Ils ont donné des résultats de niveau international [4]. Ces essais seront poursuivis et complétés par des essais sur des plateformes à plus haute altitude (jusqu'à la stratosphère) et à l'aide d'un relais optique actif.

Cette thèse porte sur la poursuite de cette activité, en collaboration avec l'équipe permanente et en faisant suite à deux doctorants (2020-2023 et 2022-2025). Le/la candidat(e) participera à la réalisation et à l'amélioration des terminaux au sol et embarqués (asservissements, étalonnage) ainsi qu'aux essais en laboratoire, entre bâtiments et vers des plateformes aéroportées. Il/elle sera au cœur de la conception et de la mise en œuvre de l'équipement, et de son exploitation sur un ballon. Ce volet expérimental comprend la maîtrise de la liaison dans son ensemble (stations au sol et terminaux embarqués) avec des systèmes d'optique active et de pointage fin, ainsi que des mesures de phase par détection hétérodyne. L'objectif final de cette thèse sera le développement et la mise en œuvre de la première liaison optique cohérente au monde via un relais aéroporté, ainsi que la caractérisation de ses performances en termes de bruit de phase et de fluctuations d'amplitude.

Références :

[1] Lion, G.; Panet, I.; Wolf, P.; Guerlin, C.; Bize, S. & Delva, P. Determination of a high spatial resolution geopotential model using atomic clock comparisons, Journal of Geodesy, 2017, 91, 597.
[2] Denker, H.; Timmen, L.; Voigt, C.; Weyers, S.; Peik, E.; Margolis, H. S.; Delva, P.; Wolf, P. & Petit, G. Geodetic methods to determine the relativistic redshift at the level of 10-18 in the context of international timescales: a review and practical results, Journal of Geodesy, 2017, 92, 487.
[3] Dix-Matthews, B. P.; Schediwy, S. W.; Gozzard, D. R.; Savalle, E.; Esnault, F.-X.; Leveque, T.; Gravestock, C.; D'Mello, D.; Karpathakis, S.; Tobar, M. & Wolf, P., Point-to-Point Stabilised Optical Frequency Transfer with Active Optics, Nature Communications, 2021, 12, 515.
[4] Maron, N.; Fernandez, S.; Esnault, F.-X.; Lévèque, T.; Muzeau, T. & Wolf, P.,Free space optical link to a tethered balloon for frequency transfer and chronometric geodesy,Opt. Express, 2024, 32, 4267-4276.

Contact: Peter Wolf (peter.wolf@obspm.fr), François-Xavier Esnault (Francois-Xavier.Esnault@cnes.fr).
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Next-generation free-space laser links use the phase of the optical carrier for scientific measurements, for example to compare distant clocks, or to measure distances with very low noise (gravitational wave detection, optical Doppler ranging). In addition, the modulation of the optical phase allows the transmission of data at very high speed, as already done in optical fibers.

These measurements are subsequently used to, for example, determine the gravitational field difference between the locations of two distant clocks by measuring their relativistic frequency shift (gravitational redshift). This new method, made possible by the spectacular advancement of atomic clocks, is known as 'chronometric geodesy' [1,2] and requires an ultrastable frequency link between remote clocks.

An ongoing project TOFU (Transfert Optique de Fréquence Ultrastable) in collaboration between SYRTE/CNES and the University of Western Australia (UWA) has realized a first free space optical link between two buildings at CNES premises in Toulouse [3]. Since then the project has focused on extending the link to an airborne platform. First tests with a captive balloon at the CNES test site in Aire sur Adour took place in 2022-2025. They have shown world class results [4]. Those tests will be continued and followed by tests on higher altitude platforms (up to stratospheric) and using an active optical relay.

The thesis concerns the continuation of this activity, together with permanent staff and following two other PhD students (2020-2023) and (2022-2025). The candidate will participate in the realization and improvement of the ground and airborne terminals (servo-controls, calibration) and tests in the lab, between buildings and to airborne platforms. He/she will be at the center of the design and implementation of the equipment, and its operation on a balloon. This experimental component encompasses the mastery of the link as a whole (ground stations and airborne terminals) with active optics systems and fine pointing as well as phase measurements by heterodyne detection. The final goal of the thesis will be the development and implementation of the world's first coherent optical link via an airborne relay and the characterization of its performance in terms of phase noise and amplitude fluctuations.

References :

[1] Lion, G.; Panet, I.; Wolf, P.; Guerlin, C.; Bize, S. & Delva, P. Determination of a high spatial resolution geopotential model using atomic clock comparisons, Journal of Geodesy, 2017, 91, 597.
[2] Denker, H.; Timmen, L.; Voigt, C.; Weyers, S.; Peik, E.; Margolis, H. S.; Delva, P.; Wolf, P. & Petit, G. Geodetic methods to determine the relativistic redshift at the level of 10-18 in the context of international timescales: a review and practical results, Journal of Geodesy, 2017, 92, 487.
[3] Dix-Matthews, B. P.; Schediwy, S. W.; Gozzard, D. R.; Savalle, E.; Esnault, F.-X.; Leveque, T.; Gravestock, C.; D'Mello, D.; Karpathakis, S.; Tobar, M. & Wolf, P., Point-to-Point Stabilised Optical Frequency Transfer with Active Optics, Nature Communications, 2021, 12, 515.
[4] Maron, N.; Fernandez, S.; Esnault, F.-X.; Lévèque, T.; Muzeau, T. & Wolf, P.,Free space optical link to a tethered balloon for frequency transfer and chronometric geodesy,Opt. Express, 2024, 32, 4267-4276.

Contact: Peter Wolf (peter.wolf@obspm.fr), François-Xavier Esnault (Francois-Xavier.Esnault@cnes.fr).
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Début de la thèse : 01/10/2026

Autre financement ou appel à projet

Observatoire de Paris

127 Astronomie et Astrophysique d'Ile de France

Le/la doctorant(e) travaillera principalement au CNES (Toulouse) avec des déplacements ponctuels à l'Observatoire de Paris. Il/elle pourra s'appuyer sur les instruments, les méthodes et les simulations développés lors des thèses précédentes afin de relever les défis techniques et scientifiques que représentent le pointage fin et la validation expérimentale de la compensation du bruit de phase sur un système de transmission bidirectionnel opérationnel en espace libre. Le travail sera principalement expérimental et portera sur l'optique en espace libre et par fibre optique, l'optique adaptative, le contrôle/commande, ainsi que les mesures de phase. Les activités couvriront l'ensemble de la chaîne: conception, production et tests en laboratoire et sur ballons. Nous recherchons un(e) étudiant(e) très motivé(e), désireux(se) de s'intégrer à une équipe existante afin d'apprendre à concevoir, développer et exploiter des technologies et des méthodes inédites pour des mesures de très haute précision en conditions réelles.
The PhD student will work mostly at CNES (Toulouse) with occasional trips to Paris Observatory. He/she will be able to rely on the instruments, methods and simulations that have been developed during the previous theses, in order to successively address the technical and scientific challenges that are the fine pointing and the experimental validation of phase noise compensation on a bidirectional operational free space transmission system. The work will be mainly experimental in free-space and fibre optics, adaptive optics, control and command, phase measurements, with activities that cover the entire chain: design, production and tests in the laboratory and on balloons. We are looking for a highly motivated student, eager to integrate into an existing team to learn to design, develop and operate new and unprecedented technology and methods for ultimate precision measurements in real-life conditions in the field.