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Frequenzübertragung mit Glasfasern

Arbeitsgruppe 4.34

Fasergeführte optische Frequenzübertragung

Mit Hilfe optischer Uhren lassen sich prinzipiell wesentlich kleinere Unsicherheiten und höhere Stabilitäten bei der Realisierung der Zeiteinheit erreichen als mit Mikrowellennormalen. Diese Tatsache kann in naher Zukunft zu einer Neudefinition der Basiseinheit „Sekunde“ führen. Um dieses Potenzial voll auszuschöpfen, ist es erforderlich, auch optische Uhren mit unterschiedlichen optischen Frequenzen und an unterschiedlichen Standorten direkt miteinander vergleichen zu können. Wichtige Hilfsmittel hierfür sind optische Kammgeneratoren (Kubina 2005).

Das in der PTB entwickelte „Transferverfahren“ (Telle 2002) erlaubt einen direkten Vergleich lokaler optischer Normale mittels Frequenzkamm. Unter Umgehung einer Mikrowellenreferenz wurde hierbei eine relative Unsicherheit im Bereich von 10-18 erreicht (Grosche 2008).

Da z. Zt. und auch in Zukunft die besten Normale i. A. nicht in unmittelbarer Nähe zueinander betrieben werden, ist ein phasenverfolgbarer Frequenzvergleich über größere Entfernungen (innerhalb Europas, transatlantisch) mit einer Unsicherheit im Bereich von < 10-15 für viele Fragestellungen in der Metrologie, fundamentalen Physik und Astronomie von großer praktischer Relevanz. Die phasenkohärente Übertragung der Frequenzinformation über größere Entfernungen wird damit zu einem der zentralen Punkte einer Neudefinition der Zeiteinheit.

Da herkömmliche Frequenzvergleiche mit Hilfe von Mikrowellennormalen und Satelliten nicht die erforderliche Genauigkeit und Stabilität erreichen um die überragende Stabilität optischer Uhren zu nutzen, verbleibt als mögliche Alternative für die Durchführung von Vergleichen nur die Nutzung von Glasfasern im Telekommunikationsfenster bei 1,5 µm, da hier die kleinsten Übertragungsdämpfungen erreicht werden.

Weltweit werden unterschiedliche optische Übertragungsvarianten, wie z.B. Übertragung einer Mikrowellenreferenz, die per Amplituden- oder Frequenzmodulation auf einen optischen Träger aufmoduliert wird, oder die direkte Übertragung des Frequenzkammspektrums untersucht.

Im Gegensatz dazu nutzen wir die optische Frequenz eines schmalbandigen cw-Transferlasers als Träger für die Frequenzinformation des Frequenznormals. Dazu wird ein cw-Laser mit Hilfe eines Frequenzkammgenerators phasenverfolgbar an das optische Frequenznormal angebunden (Grosche 2008). Hierfür sind schmalbandige Faserlaser (freilaufende Linienbreite < 10 kHz) mit einer Wellenlänge nahe 1.5 µm besonders geeignet, so dass eine Standardtelekommunikationsfaser mit relativ geringen Dämpfungsverlusten zur Übertragung genutzt werden kann. (Grosche 2007)