Ms6127Bwithfigures

4. Conclusion. 
We have demonstrated an 86-km compensated optical link using an urban telecom network 
with a frequency instability of 1.3×10
-15
at 1 s and below 10
-18
after one day of integration time. 
These results were obtained due to the use of two slightly different modulation frequencies for the 
two different propagation directions, the scrambling of the light polarization state and the 
compensation of the fiber chromatic dispersion. The ultimate limitation of the compensator itself is 
reached and can not be overcome easily. The stability of the present system enables comparison of 
the best frequency standards, both in the microwave and optical region, over distances of up to 
100 km. For longer distances, attenuation along the fiber is a crucial limitation. Optical amplifiers, 
which limit the frequency instability at a level slightly below 10
-14
at 1 GHz, have a negligible 
effect at 10 GHz and can be used to recover a sufficient signal to noise ratio for distances up to 
about 200 km. For longer spans, an all optical compensation system is more promising. Modern 
dispersion shifted fibers with lower PMD values allow even better performance and can potentially 
extend the link beyond 200 km. 
Acknowledgments 
We acknowledge funding support from the Ministère de la Recherche and European Space 
Agency/ESOC.
References 
[1] A. Bauch, J. Achkar, S. Bize, D. Calonico, R. Dach, R. Hlavac, L. Lorini, T. Parker, G. Petit, D. 
Piester, K. Szymaniec, P. Uhrich, “Comparison between frequency standards in Europe and the 
USA at the 10
-15
uncertainty level”, Metrologia, 43, 109-120 (2006). 

---

[2] C. Vian, P. Rosenbusch, H. Marion, S. Bize, L. Cacciapuoti, S. Zhang, M. Abgrall, D. 
Chambon, I. Maksimovic, P. Laurent, G. Santarelli, A. Clairon, A. Luiten, M. Tobar and C. 
Salomon, “BNM-SYRTE fountains: recent results” IEEE Transactions on Instrumentation and 
Measurement, 54, 833-836 (2005). 
[3] S. Weyers, B. Lipphardt, and H. Schnatz, “Reaching the quantum limit in a fountain clock using 
a microwave oscillator phase locked to an ultrastable laser”, Phys. Rev. A, 79, 031803R (2009). 
[4] J. P. Uzan, ”The fundamental constants and their variation: observational and theoretical status”, 
Rev. Mod. Phys. 75, 403-455 (2003). 
[5] S. G. Karshenboim, “Fundamental physical constants: looking from different angles”, Can. J. 
Phys., 83, 767 (2005). 
[6] V. V. Flambaum, “Enhanced effect of temporal variation of the fine-structure constant in 
diatomic molecules”, Phys. Rev. D, 69, 115006 (2004). 
[7] A. Amy-Klein, A. Goncharov, C. Daussy, C. Grain, O. Lopez, G. Santarelli, C Chardonnet, 
"Absolute frequency measurement in the 28-THz spectral region with a femtosecond laser comb 
and a long-distance optical link to a primary standard", Appl. Phys. B 78, 25-30 (2004). 
[8] F. Narbonneau, M. Lours, S. Bize, A. Clairon, G. Santarelli, O. Lopez, C. Daussy, A. Amy-
Klein, C. Chardonnet, “High resolution frequency standard dissemination via optical fiber 
metropolitan network”, Rev. Sci. Instrum., 77, 064701 (2006). 
[9] M. Calhoun, S. Huang, and R. L. Tjoelker, “Stable Photonic Links for Frequency and Time 
Transfer in the Deep-Space Network and Antenna Arrays”, Proc. of the IEEE, Special Issue on 
Technical Advances in Deep Space Communications & Tracking, 95 , 1931-1946 (2007). 
[10] S. M. Foreman, K. W. Holman, D. D. Hudson, D. J. Jones, and J. Ye, “Remote transfer of 
ultrastable frequency references via fiber networks”, Rev. Sci. Instrum., 78, 021101 (2007) 
[11] O. Lopez, A. Amy-Klein, C. Daussy, Ch. Chardonnet, F. Narbonneau, M. Lours, and G. 
Santarelli, “86-km optical link with a resolution of 2×10
-18
for RF frequency transfer”, Eur. 
Phys. J. D, 48, 35-41 (2008). 
[12] N. R. Newbury, P. A. Williams, W. C. Swann, “Coherent transfer of an optical carrier over 
251 km”, Opt. Lett., 32, 3056 (2007). See also P. A. Williams, W. C. Swann, and N. R. 
Newbury, “High-stability transfer of an optical frequency over long fiber-optic links”, J. Opt. 
Soc. Am. B, 25, 1284 (2008). 
[13] M. Musha, F. Hong, K. Nakagawa, and K. Ueda, “Coherent optical frequency transfer over 
50-km physical distance using a 120-km-long installed telecom fiber network”, Opt. Express 
16, 16459 (2008) 
[14] H. Jiang, F. Kéfélian, S. Crane, O. Lopez, M. Lours, J. Millo, D. Holleville, P. Lemonde, Ch. 
Chardonnet, A. Amy-Klein, G. Santarelli, “Long-distance frequency transfer over an urban 
fiber link using optical phase stabilization”, J. Opt. Soc. Am. B, 25, 2029 (2008) and F. 
Kéfélian, O. Lopez, H. Jiang, Ch. Chardonnet, A. Amy-Klein and G. Santarelli, “High-
resolution optical frequency dissemination on a telecommunication network with data traffic”, 
Opt. Lett, 34, 1573-1575 (2009). 
[15] G. Grosche, O. Terra, K. Predehl, R. Holzwarth, B. Lipphardt, F. Vogt, U. Sterr, and H. 
Schnatz, “Optical frequency transfer via 146 km fiber link with 10
-19
relative accuracy”, Opt. 
Lett., 34, 2270-2272 (2009). 
[16] M. Fujieda, M. Kumagai, T. Gotoh, M. Hosokawa, "Ultrastable Frequency Dissemination via 
Optical Fiber at NICT", IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 58, 1223-
1228 (2009) and M. Kumagai, M. Fujieda, S. Nagano, and M. Hosokawa, "Stable radio 
frequency transfer in 114 km urban optical fiber link," Opt. Lett. 34, 2949-2951 (2009) 
[17] B. Shillue, S. AlBanna and L. D'Addario, “Transmission of low phase noise, low phase drift 
millimeter-wavelength references by a stabilized fiber distribution system”, Proc. IEEE Int. 
Top. Meet. Microw. Photon. (MWP 2004), 201-204, (2004). 
[18] R. Wilcox, J. M. Byrd, L. Doolittle, G. Huang, and J. W. Staples, "Stable transmission of 
radio frequency signals on fiber links using interferometric delay sensing," Opt. Lett. 34, 
3050-3052 (2009)

---

[19] G. D. Rovera, G. Santarelli, and A. Clairon, "A frequency synthesis chain for the atomic 
fountain", IEEE Trans on Ultra. Ferro. Elec. Freq. Contr., 43, 354-358 (1996). 
[20] D. Chambon, M. Lours, F. Narbonneau, M E. Tobar, A. Clairon and G. Santarelli “Design and 
realization of a flywheel oscillator for advanced time and frequency metrology”, Rev. Sci. 
Instr., 76, 094704 (2005). 
[21] Pengbo Shen, N. J. Gomes, W. P. Shillue, S. Albanna, "The Temporal Drift Due to 
Polarization Noise in a Photonic Phase Reference Distribution System", Journal of Lightwave 
Technology 26, 2754-2763 (2008) 
[22] D. Eliyahu, D. Seidel, L. Maleki, "RF Amplitude and Phase-Noise Reduction of an Optical 
Link and an Opto-Electronic Oscillator," IEEE Transactions on Microwave Theory and 
Techniques, 56, 449-456 (2008). 
[23] G. Cibiel, M. Régis, E. Tournier and O. Llopis, "AM noise impact on low level phase noise 
measurements," IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and frequency control 49, 
784-788 (2002); see also L. M. Nelson and F.L. Walls, "Environmental effects in mixers and 
frequency distribution systems," Proceedings of IEEE Frequency Control Symposium, p 831-
837 (1992), DOI: 10.1109/FREQ.1992.269954, (1992). 

---