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Hochpräzise Phasenrauschmessungen von Mikrowellenoszillatoren mit dem optischen Frequenzkamm

31.12.2006

Die Stabilität optischer Uhren übertrifft die der klassischen, auf Mikrowellenübergängen basierenden Uhren um Größenordnungen. In Verbindung mit einem Femtosekunden-Kammgenerator und dem in der PTB entwickelten Transferverfahren lässt sich diese Stabilität aus dem optischen Bereich in den Mikrowellenbereich übertragen und dort für die Analyse von Mikrowellenoszillatoren nutzen. Bei diesem Ansatz ist von entscheidender Bedeutung, dass das Eigenrauschen des Kammgenerators mit Hilfe des Transferverfahrens vollständig eliminiert werden kann.

Als optische Referenzfrequenz wurde ein auf einen ultrastabilen Resonator stabilisierter Laser mit einer Linienbreite von wenigen Hertz benutzt. Der für den Vergleich benötigte präzise Frequenzteiler (das „Uhrwerk“) besteht aus einem faserbasierten Femtosekundenlaser mit einem oktavbreiten Spektrum.

Mit Hilfe des Frequenzkamms wurde die Stabilität einer optische Referenzfrequenz von 344 THz auf eine Zwischenfrequenz von 365 GHz abgebildet. Mit Oberwellentechnik wurde das Phasenrauschen eines 5 MHz-Quarzes mit geringstem zusätzlichen Phasenrauschen auf die Zwischenfrequenz hoch multipliziert. Die Messung des Phasenrauschens erfolgt durch die Analyse des Schwebungssignals. Aufgrund der Vervielfachung erhöht sich das zu messende Phasenrauschen des 5 MHz-Quarzes um +97 dB, liegt damit weit über dem technischen Rauschen der Elektronik und kann mit einem Spektrumanalysator leicht gemessen werden.

Wie Abbildung 1 zeigt, ist die direkte Phasenrauschmessung bis dicht an den Träger möglich und durch die verwendeten Auflösungsbandbreiten des Spektrumanalysators begrenzt. Zum Vergleich ist das vom Hersteller spezifizierte Phasenrauschen (rote Kreise) des verwendeten 5 MHz Quarzes (OCXO8607) angegeben.

Ebenfalls in Abb. 1 ersichtlich, steigt das Phasenrauschen nahe am Träger mit nahezu 20 dB/Dekade an, sodass für Frequenzen < 10 Hz (Zeiten > 100ms) eher weißes Frequenzrauschen dominiert. Unter dieser Annahme erwartet man bei einer Messzeit τ eine Stabilität von 8 . 10-14½ in sehr guter Übereinstimmung mit den Herstellerangaben.

Die Verfügbarkeit einer höchststabilen optischen Referenzfrequenz und eines Kammgenerators ermöglicht damit eine völlig neue Art der Phasenmessung der besten 5MHz-Quarze.


Bei einer Zwischenfrequenz von 365 GHz gemessenes Phasenrauschspektrum eines hochstabilen 5 MHz-Quarzes im Vergleich zu den Spezifikationen des Herstellers