Physikalisch-Technische Bundesanstalt

A new generation of frequency standards for industry

Hochtechnologiebereiche wie Telekommunikation, Navigation, Luft- und Raumfahrt, Verteidigung und nationale Sicherheit hängen davon ab, dass ausreichend genaue Zeit- und Frequenzreferenzen für die verschiedenen Anwendungen zur Verfügung stehen. In europäischen nationalen metrologischen Instituten gibt es zwar Standards für Mikrowellen- und optische Frequenzen, die sogar deutlich besser sind als die Standards, die für industrielle Anwendungen gebraucht werden, jedoch sind diese Standards sperrig und unhandlich, haben einen hohen Stromverbrauch und können nur von Fachpersonal bedient werden. Hinzu kommt, dass sie nicht für den Einsatz unter industriellen Bedingungen mit schwankenden Temperaturen und Vibrationen vorgesehen sind. Ziel des Projektes ist, durch die Verwendung alternativer Technologien die existierenden Laborstandards zu kompakten und robusten Frequenzstandards, geeignet für den Einsatz unter industriellen Bedingungen, weiterzuentwickeln. Für Frequenzstandards, die für das 1,5 µm Telekommunikationsband benötigt werden, sollen für die Frequenz-stabilisierte Laser anstelle von Acetylen-Gaszellen, die zumeist Eigenentwicklungen sind, Hohlkernfasern oder spezielle photonische Kristallfasern verwendet werden. Mit diesen lassen sich Dezentrierungen, wie sie bei den voluminösen Optiken auftreten, vermeiden. Verbunden mit dieser Technologie ist zwar eine etwas verringerte Stabilität verbunden. Eine Reproduzierbarkeit in der im Bereich von 10^-10 erscheint aber realistisch, was für viele industrielle Anwendungen ausreichend ist, im Vergleich dazu: Der derzeitige Stand der Technik ermöglicht industrielle Standards im Bereich von 10^-8.

Kommerziell erhältliche optische Lokaloszillatoren haben Linienbreiten im sub-kHz-Bereich über einen Zeitraum von einigen Millisekunden. Eine derartige Qualität lässt sich zur Zeit nur unter sehr guten Laborbedingungen realisieren. Durch die Verwendung optischer Resonatoren sollten sich Laser entwickeln lassen, die eine Linienbreite im Hz-Bereich aufweisen auch für stärkere Bodenunruhe, wie sie bei industriellen Anwendungen auftreten kann. Die PTB leitet das Arbeitspaket, das sich mit der Entwicklung eines solchen Oszillators befaßt.

In weiterer Teil des Projektes wird sich mit der Entwicklung von Mikrowellen-Frequenzstandards beschäftigen. In den meisten Anwendungen, die eine lokale Frequenzreferenz benötigen, wird entweder ein Quarzoszillator oder eine kommerzielle Rubidium-Atomuhr eingesetzt, die extern von einem GPS-Referenzsignal gesteuert werden, wobei vielfach sichergestellt sein muss, dass auch im autonomen Betrieb eine hinreichende Stabilität besteht. Beide Technologien weisen diesbezüglich Nachteile auf: Die Atomuhren sind sperrig, und die Quarzoszillatoren sind nur kurzzeitstabil (Abweichung ungefähr eine Sekunde pro Monat), was ihre Einsatzmöglichkeiten deutlich einschränkt. Für die mobile Kommunikation werden Uhrstabilitäten und Genauigkeiten im Bereich von 10^-10 - 10^-12 benötigt. Im Rahmen des Projektes wird daher untersucht werden, inwieweit sich Standards, die auf mit Cäsium gefüllte Hohlkernfasern basieren, eignen. Für Telekommunikationsnetze und Satellitennavigationssysteme, für die höhere Anforderungen von 10^-12 -10^-13 bestehen, soll die Technologie einer optischen Uhr auf einem Chip untersucht werden. Die Installierbarkeit in einem Einschubsystem, die Kompaktheit des Systems wie auch ein geringer Energieverbrauch sind wesentliche Randbedingungen hierbei.

Weitere Informationen über das Projekt und die Projektpartner:

Projekt-Webseite

Ansprechpartner

Dr. Uwe Sterr
Telefon: 0531 592 4312
E-Mail: uwe.sterr@ptb.de