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Frequenzverteilung an viele Orte

08.01.2015

Interferometrisch stabilisierte Glasfaserverbindungen erlauben eine hochpräzise Frequenzübertragung mit einer relativen Unsicherheit unter 10-18. Ein neues, inzwischen patentiertes Verfahren ermöglicht nun, an zusätzlichen Orten entlang der bestehenden Verbindung ebenfalls ein hochpräzises Frequenz- (oder Zeit-) signal zur Verfügung zu stellen. Das Verfahren wird bereits international eingesetzt und weiter entwickelt. 

Interferometrisch stabilisierte Glasfaserverbindungen erlauben eine hochpräzise Frequenzübertragung, mit einer relativen Unsicherheit unter 10-18. So kann z.B. das Signal einer optischen Uhr an einen entfernten Zielort gebracht werden, um es dort für physikalische Experimente zu nutzen. Pro Zielort ist bisher jeweils eine eigene stabilisierte Verbindung per Glasfaser erforderlich, was eine logistische Herausforderung darstellt.

Eine elegante Vereinfachung basiert darauf, die existierende stabilisierte Verbindung  lediglich anzuzapfen, und lokal aus vor- und zurücklaufendem Signal das hochstabile Signal zu erzeugen. Dies inzwischen patentierte Verfahren [1] ermöglicht also, an zusätzlichen Orten entlang der bestehenden Verbindung ebenfalls ein hochpräzises Frequenzsignal zur Verfügung zu stellen.

Arbeiten hierzu wurden jüngst publiziert, und ausgeweitet auf neue Ideen [2]: zum einen betrifft dies die Übertragung von Zeitsignalen, zum anderen die Anwendung bei Zwei-Wege-Transfer-Systemen (Two-way-time-and-frequency-transfer, „TWTFT“), zusätzlich zu den „klassischen“ stabilisierten Verbindungen. Es könnten sogar viele Orte entlang einer Strecke aufeinander synchronisiert werden, ohne die Hauptverbindung zu stabilisieren, oder Messergebnisse aus den Endpunkten zu verwenden [2].

Innerhalb der PTB wird u.a. das QUEST-Institut mit dem Verfahren mit hochstabiler Strahlung bei 1542 nm versorgt; das kompakte System ist seit einem Jahr im Dauerbetrieb zuverlässig im Einsatz. Die Leistungsfähigkeit interferometrisch stabilisierter Punkt-zu-Punkt-Verbindungen wurde u.a. zwischen der PTB und dem MPQ in Garching bewiesen: über Langstrecken bis zu fast 2000 km Länge [3], und eine Frequenzmessung am 1S-2S Übergang von Wasserstoff (in Garching) gegen die Cs-Fontäne der PTB, über eine 920 km Faserverbindung [4]. Das neue Verfahren wird nun dazu dienen, zukünftig hochstabile Frequenzen vergleichsweise kostengünstig auch weiteren Nutzern zu Verfügung zu stellen.

Das Verfahren wurde bereits international aufgegriffen (u.a.[5]) und unsere Kollegen in Paris konnten insbesondere zeigen, dass die physikalisch erreichbare Stabilität am angezapften Ort theoretisch - und experimentell - sogar besser ist, als am weiter entfernten Endpunkt der klassischen Verbindung.

Im Rahmen des neu eingerichteten Sonderforschungsbereichs 1128 (geo-Q) wird die Methode weiter untersucht, eingesetzt und ggf. weiter entwickelt, so dass wir mehrere Laboratorien in Hannover mit hochstabilem Licht aus der PTB versorgen können.

Fasergeführte Verteilung ultrapräziser Frequenzsignale an viele Empfänger, indem viele Empfänger auf die gleiche Glasfaserstrecke zugreifen, und durch eine spezielle Empfangsvorrichtung das ursprüngliche hochpräzise Frequenzsignal regenerieren. [Adaptiert aus Smandek/Grosche http://www.ptb.de/s/c/tVmXF_Cx/patentDB_Dokumente/A276.pdf]


Literatur: 

[1] G. Grosche, Patent DE 200810062139, "Verfahren zum Bereitstellen einer Referenz-Frequenz", publiziert 24.06.2010, erteilt am 31.10. 2013

[2] G. Grosche, "Eavesdropping time and frequency: phase noise cancellation along a time-varying path, such as an optical fiber", Opt. Lett. 39, 2545 (2014)

[3] Droste, F. Ozimek, Th. Udem, K. Predehl, T. W. Hänsch, H. Schnatz, G. Grosche, and R. Holzwarth: "Optical-Frequency Transfer over a Single-Span 1840 km Fiber Link", Phys. Rev. Lett. 111, 110801 (2013)

[4] A. Matveev, Ch. G. Parthey, K. Predehl, J. Alnis, A. Beyer, R. Holzwarth, Th. Udem, T. Wilken, N. Kolachevsky, M. Abgrall, D. Rovera, Ch. Salomon, P. Laurent, G. Grosche, O. Terra, T. Legero, H. Schnatz, S.  Weyers, B. Altschul, T. W. Hänsch, "Precision Measurement of the Hydrogen 1S-2S Frequency via a 920-km Fiber Link", Phys. Rev. Lett. 110, 230801 (2013)

[5] A. Bercy, S. Guellati-Khelifa, F. Stefani, G. Santarelli, Ch. Chardonnet, P.E. Pottie, O. Lopez, A. Amy-Klein, "In-line extraction of an ultrastable frequency signal over an optical fiber link", J. Opt. Soc. Am. B 31, 678 (2014)