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Neuartige Verstärker für Faserverbindung Braunschweig-Paris

08.01.2015

Für die schnelle Realisierung des mehr als 700 km langen deutschen Teils der metrologischen Glasfaserverbindung Braunschweig-Paris wurden erstmals weitgehend autonome Brillouin-Verstärker eingesetzt. In dieser Eigenentwicklung der PTB wird die Faser selbst als Verstärkungsmedium genutzt. Die Richtungsabhängigkeit und die extreme Schmalbandigkeit der Verstärkung erlaubt eine um drei Größenordnungen höhere Verstärkung als bei den bisher gebräuchlichen Erbium-dotierten Faserverstärkern. 

Für die schnelle Realisierung der metrologischen Glasfaserstrecke Braunschweig-Straßburg-Paris wurden erstmals weitgehend autonome Brillouin-Verstärker eingesetzt, eine Eigenentwicklung der PTB [1].

Bisher wurden für metrologische Langstreckenverbindungen fast ausschließlich breitbandige, Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFA) eingesetzt [2-4]. Diese reagieren im bi-direktionalen Betrieb jedoch empfindlich auf rückgestreutes Licht in der Faser. Daher können sie oft nur mit verhältnismäßig geringen Verstärkungen von durchschnittlich 17 dB betrieben werden.

An der PTB wurden erstmals streckentaugliche Brillouin-Verstärker entwickelt und entlang der Teilstrecke Braunschweig-Straßburg eingesetzt. Der Verstärkungsprozess benutzt die Glasfaser selbst als Verstärkungsmedium. Er zeichnet sich durch eine extreme Schmalbandigkeit von rund 15 MHz aus, sowie durch eine ausgeprägte Richtungsabhängigkeit der Verstärkung. Die Kombination aus diesen beiden Merkmalen erlaubt eine bis zu 1000fach größere Verstärkung verglichen mit den herkömmlichen EDFA. Die Entwicklung eigener Elektronik und Software, u.a. zur Frequenzstabilisierung des Brillouin-Pumplichtes und zum autonomen oder ferngesteuerten Betrieb, hat dabei den „Sprung“ der Brillouin-Verstärker aus dem Labor [5] ermöglicht.

In einer ersten Phase wurde das Faserpaar, das die PTB in Braunschweig mit ihrem französischen Schwesterinstitut SYRTE verbinden wird, bei Wiera in Hessen miteinander verbunden. Bestückt wurde diese 660 km lange Faserschleife mit einem der neuen Verstärker, der mit Unterstützung des Deutschen Forschungsnetzes im Rechenzentrum der Universität Kassel installiert wurde. Dabei konnte gezeigt werden, dass der Einfluss dieser Strecke auf die Stabilität und Genauigkeit einer optischen Frequenzübertragung nur rund 10-19 beträgt [6] – ausreichend für den störungsfreien Vergleich der besten optischen Uhren. Auch die Verlängerung der Faserschleife bis Frankfurt auf eine Gesamtlänge von ca. 980 km bestätigte dieses Ergebnis. Hierfür wurde ein zweiter Verstärker im Rechenzentrum der Universität Gießen installiert.

Bis Ende des Jahres ist die Installation eines dritten Verstärkers am Karlsruher Institut für Technologie geplant, um so den Aufbau des deutschen Teils der Glasfaserverbindung Braunschweig-Straßburg-Paris abzuschließen.

Illustration des Brillouin-Verstärkungsprozesses: Das gegenläufige Pump- und Signallicht interferieren in der Faser. Dadurch kommt es zur Ausbildung eines laufenden Dichtegitters, an dem das Pumplicht gestreut werden kann. Voraussetzung ist, dass Pump- und Signallicht ei-nen materialabhängigen Frequenzabstand haben. Für handelsübliche Glasfasern beträgt die-ser Frequenzabstand rund 11 GHz.

Illustration des Brillouin-Verstärkungsprozesses: Das gegenläufige Pump- und Signallicht interferieren in der Faser. Dadurch kommt es zur Ausbildung eines laufenden Dichtegitters, an dem das Pumplicht gestreut werden kann. Voraussetzung ist, dass Pump- und Signallicht einen materialabhängigen Frequenzabstand haben. Für handelsübliche Glasfasern beträgt dieser Frequenzabstand rund 11 GHz.

Schleife über 660 km mit einem Brillouin-Modul: Die Instabilität der Übertragung einer optischen Frequenz erreicht ein Niveau von rund 10-19 und besser. Die Schwebungsfrequenz zwischen dem übertragenen und dem ursprünglichen Licht wurde mit Totzeit-freien Zählern im so-genannten Lambda-Modus gemessen. Dargestellt sind die modifizierte Allan-Abweichung, sowie das Ergebnis des klassischen Formalismus‘ zur Berechnung der Allan-Abweichung. Für die hochstabile Frequenzübertragung wird das Signal aktiv stabilisiert.

Schleife über 660 km mit einem Brillouin-Modul: Die Instabilität der Übertragung einer optischen Frequenz erreicht ein Niveau von rund 10-19 und besser. Die Schwebungsfrequenz zwischen dem übertragenen und dem ursprünglichen Licht wurde mit Totzeit-freien Zählern im sogenannten "Λ"-Modus gemessen. Dargestellt sind die modifizierte Allan-Abweichung, sowie das Ergebnis des klassischen Formalismus‘ zur Berechnung der Allan-Abweichung. Für die hochstabile Frequenzübertragung wird das Signal aktiv stabilisiert.


Literatur:

[1]        S. M. F. Raupach, A. Koczwara, G. Grosche, F. Stefani, O. Lopez, A. Amy-Klein, C. Chardonnet, P.-E. Pottie, and G. Santarelli, Bi-directional optical amplifiers for long-distance fiber links, Proc. EFTF/IFCS 2013, 883-884 (2013).

[2]        O. Lopez, A. Haboucha, B. Chanteau, Ch. Chardonnet, A. Amy-Klein, and G. Santarelli, Ultra-stable long distance optical frequency distribution using the Internet fiber network, Opt. Express  20, 23518-23526 (2012).

[3]        K. Predehl, G. Grosche, S. M. F. Raupach, S. Droste, O. Terra, J. Alnis, Th. Legero, T. W. Hänsch, Th. Udem, R. Holzwarth, and H. Schnatz, A 920-kilometer optical fiber link for frequency metrology at the 19th decimal place, Science 336, 441-444 (2012).

[4]        D. Calonico, E. K. Bertaccho, C. E. Calosso, C. Clivati, G. A. Costanzo, M. Frittelli, A. Godone, A. Mura, N. Poli, D. V. Sutyrin, G. Tino, M. E. Zucco, and F. Levi, High-accuracy coherent optical frequency transfer over a doubled 642-km fiber link, App. Phys. B, DOI 10.1007/s00340-014-5917-8 (2014).

[5]        O. Terra, G. Grosche, and H. Schnatz, Brillouin amplification in phase coherent transfer of optical frequencies over 480 km fiber, Opt. Express 18, 16102-16111 (2010).

[6]        S. M. F. Raupach, A. Koczwara, and G. Grosche, Optical frequency transfer via a 660 km underground fiber link using a remote Brillouin amplifier, Opt. Express 22, 26537-26547 (2014).