Logo PTB
Optikaufbauten des Experiments zur Thorium-Kernuhr.

Optische Uhren mit gespeicherten Ionen

Arbeitsgruppe 4.43

Photonisch erzeugte Mikrowellensignale hoher Frequenzstabilität

Rauscharme Mikrowellensysteme basieren oft auf einem "State-of-the-art" 5 MHz-Quarzoszillator mit sehr guter Kurzzeitstabilität für Fourierfrequenzen < 1kHz. Die relative Frequenzinstabilität liegt damit im Bereich von ca. 1⋅10-13 bis zu Mittelungszeiten von einigen Sekunden. Noch stabilere Frequenzen mit Instabilitäten unter 10-15 werden mit kryogenen Sapphire-Loaded-Cavity Oszillatoren (SLCO) erreicht, die aber wesentlich aufwendiger und teurer sind.

In einer Zusammenarbeit von AG 4.43 und AG 4.31 entstand ein Mikrowellenaufbau, dessen Frequenzinstabilität von < 10-14 in 1 s auf einer optischen Referenz basiert. Dabei wird die überragende Kurzzeitstabilität eines hochstabilen Lasers mit Hilfe eines Frequenzkamms und des in der PTB entwickelten Transferverfahrens in den Mikrowellenbereich übertragen und dort zur Frequenzstabilisierung eines Oszillators mit dielektrischem Resonator (DRO) benutzt. Mehrere Gruppen weltweit haben gezeigt, dass photonisch erzeugte Mikrowellensignale die Kurzzeitstabilität der besten kryogenen Mikrowellensysteme erreichen können.

In der PTB wird ein photonisch erzeugtes Mikrowellensignal bei 9,6 GHz für die Abfrage der Atome in Caesium-Fontänenuhren benutzt. Der erreichte Phasenrauschpegel von < -110 dBc/Hz bei 10 Hz (siehe Bild 1) ermöglicht es, die Caesium-Fontänen so zu betreiben, dass deren Stabilität nicht länger vom Rauschen der Abfrageoszillatoren begrenzt wird [1,2].

Bild Fourier frequency f (Hz)

Bild 1: Einseitenband-Phasenrauschen L als Funktion der Fourier Frequenz. Rot: gemessenes Phasenrauschen des stabilisierten 9,6 GHz DRO; schwarz: spezifiziertes Phasenrauschen des freilaufenden DRO; grün: 5 MHz-Quarz bei 9,6 GHz; blau: kryogener SLCO

Literatur

[1] B. Lipphardt, G. Grosche, U. Sterr, C. Tamm, S. Weyers and H. Schnatz: The stability of an optical clock laser transferred to the interrogation oscillator for a Cs fountain[pdf]4). IEEE Trans. Instrum. Meas. 58, 1258‐1262 (2009)

[2] S. Weyers, B. Lipphardt, H. Schnatz: Reaching the quantum limit in a fountain clock using a microwave oscillator phase locked to an ultrastable laser [pdf]2), Phys. Rev. A 79, 031803(R) (2009)

[3] Chr. Tamm, N. Huntemann, B. Lipphardt, V. Gerginov, N. Nemitz, M. Kazda, S. Weyers,  E. Peik: Cs-Based Optical Frequency Measurement Using Cross-Linked Optical and Microwave Oscillators [pdf]. Phys. Rev. A  89, 023820 (2014)

Kontakt

Dipl-Ing. Burghard Lipphardt Tel.: +49 (0)531 592 4428
Fax: +49 (0)531 592 69 4428
E-Mail: Burghard Lipphardt