Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt

Eine optische Verbindung zur Übertragung hochstabiler optischer Referenzfrequenzen zwischen der PTB und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching

29.01.2010

In Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching (MPQ) bei München entsteht eine über 900 km lange Glasfaserverbindung zur Übertragung hochstabiler optischer Signale. Diese Verbindung besteht aus einem Paar Singlemodefasern, die es ermöglichen optische Referenzfrequenzen der PTB am MPQ für Präzisionsexperimente zu nutzen und damit die Messgenauigkeit am MPQ signifikant zu erhöhen. Dieses Projekt wird unterstützt vom Deutschen Forschungsnetz (DFN) und dem Netzbetreiber Gasline GmbH, die einen dauerhaften und vor allem exklusiven Betrieb der Glasfasern gewährleisten konnten. Etwa alle 120 km ist die Strecke an sog. Repeatercontainern unterbrochen, in denen das Signal verstärkt und von zusätzlichem Rauschen der Glasfaser befreit werden kann. Aufbauend auf dem Verfahren von Ma et al. [1] hat sich inzwischen weltweit eine Methode etabliert, ein phasenverfolgbares, hochstabiles optisches Dauerstrichsignal zu übertragen [2], [3], [4], [5], [6], [7]. Es wurde experimentell bereits gezeigt, dass eine hochpräzise Frequenzübertragung auf Faserstrecken von etwa 150 km nahe an der theoretischen Grenze [3] realisiert werden kann [7], [8]. Anhand dieser Messdaten und mit Hilfe von [3] wurde die Stabilität des 900 km langen Links nach Garching zu σy(t) ≈ 1·10‑13 (t/s)-1 abgeschätzt [9].

Seit kurzem wird die Verbindung von PTB zu MPQ schrittweise geschlossen, indem die Container sequenziell mit Erbium-dotieren Verstärkern (EDFAs) ausgestattet werden, wobei im jeweils letzten Container beide Fasern zusammengeschlossen sind. Auf diese Weise entsteht ein immer länger werdender, ringförmiger Link, bei dem sich Sender und Empfänger zunächst im gleichen Labor befinden. Diese Konfiguration ermöglicht eine Charakterisierung der Strecke, die nicht von der Güte des verwendeten Frequenznormales abhängt. Ein zweites, moduliertes Lichtsignal bei einer Wellenlänge von 1,3 µm wird parallel auf den Leitungen übertragen, um die optischen Verstärker vom Labor aus kontrollieren zu können. Am MPQ wurde auf diese Weise kürzlich ein Testlink von etwas über 500 km Länge zum Rechenzentrum der Universität Erlangen und zurück realisiert.

Erste Frequenzmessungen sind noch durch ein zu niedriges Signal-zu-Rausch-Verhältnis des zur Faserstabilisierung verwendeten Signals verfälscht. Stärker als zunächst angenommen wirkt sich hier die relativ große Distanz von ca. 170 km vom zweiten zum dritten Container auf das Signal-zu-Rausch-Verhältnis aus. Trotzdem kann man an diesen vorläufigen Zählerdaten (Fig. 1) bereits erkennen, dass sich die Messung an der 500 km Strecke mit der Abschätzung für die Stabilität des 900 km langen Links recht gut deckt (σ ~ L3/2). Für die in Fig. 1 rot markierten Messwerte (inklusive der Ausreißer) ergibt sich für den 500 km Link eine relative Frequenzinstabilität von σy(1s) ≈ 4·10‑14 (Fig. 2) und eine Frequenzabweichung <2·10‑14. Um in Zukunft Fehlzählungen zu vermeiden, wird auf dem 170 km langen Teilstück ein weiteres Verstärkermodul in den nächsten Wochen installiert.

Damit werden dann optische Referenzen aus der PTB bereits nach wenigen Minuten Mittelungszeit mit einer relativen Frequenzstabilität von σy< 10-15 an den MPQ- Laboratorien zur Verfügung stehen.

 

Fig. 1: Aufnahme eines 10 MHz Schwebungssignal des Transferlasers mit sich selbst nach Durchlaufen der 500 km Strecke. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des zur Faserstabilisierung verwendeten Signals ist zu niedrig für die nachfolgende Zählereletronik: Die Frequenz­messung zeigt daher noch viele fehlerhafte Messwerte (cycle slips).

 

Fig. 2:   Unter der Annahme, die in Fig. 1 rot markierten Messwerte seien real, ergibt sich für die 500 km lange Teststrecke eine relative Frequenzinstabilität von σy(1s)= 4*10‑14.

 


[1]           L.-S. Ma, P. Jungner, J. Ye, J.L. Hall: “Delivering the same optical frequency at two places: accurate cancellation of phase noise introduced by an optical fiber or other time-varying path,” Opt. Lett. 19, 1777 (1994).

[2]           G. Grosche, B. Lipphardt, H. Schnatz, G. Santarelli, P. Lemonde, S. Bize, M. Lours, F. Narbonneau, A. Clairon, O. Lopez, A. Amy-Klein, and C. Chardonnet; “Transmission of an optical carrier frequency over a telecommunication fiber link,” in Conference on Lasers and Electro-Optics/Quantum Electronics and Laser Science Conference (CLEO) 2007 Technical Digest, Baltimore, MD, 2007, paper CMKK1; DOI: 10.1109/CLEO.2007.4452577

[3]           P. A. Williams, W. C. Swann, and N. R. Newbury: High-stability transfer of an optical frequency long fiber-optic links. J. Opt. Soc. Am. B 25, 1284, (2008).

[4]           H. Jiang et al.: Long-distance frequency transfer over an urban fiber link using optical phase stabilization. J. Opt. Soc. Am. B 25, 2029 (2008).

[5]           M. Musha, F.-L. Hong, K. Nakagawa, K. Ueda: Coherent optical frequency transfer over 50 km physical distance using a 120 km long installed telecom fiber network. Opt. Express 16, 16459 (2008).

[6]           O. Terra, G. Grosche, K. Predehl, R. Holzwarth, Thomas Legero, Uwe Sterr, B.Lipphardt, and H. Schnatz:  Appl. Phys. B 97, 541–551, 2009.

[7]           G. Grosche, O. Terra, K. Predehl, R. Holzwarth, B. Lipphardt, F. Vogt, U. Sterr, H. Schnatz, Opt. Lett. Vol. 34, 2270- 2272, (2009).

[8]           K. Predehl, R. Holzwarth, T. Udem, and T. Haensch,O. Terra, G. Grosche, B. Lipphardt, and H. Schnatz (CLEO) (Optical Society of America, 2009), paper CTuS2

[9]           H. Schnatz, W. Ertmer, T. Feldmann, J. Friebe, G. Grosche, T. W. Hänsch, R. Holzwarth, T. Legero, B. Lipphardt, Z. H. Lu, A. Pape, K. Predehl, E.-M. Rasel, M. Riedmann, U. Sterr, O. Terra, Th. Udem, L. J. Wang, and T. Wübbena; “Phase-coherent frequency comparison of optical clocks using a telecommunication fiber link,”
im Druck to IEEE special issue, Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control