Frequenzvergleich hochstabiler Laser mit einer 900 km langen Glasfaser

Mit Hilfe optischer Uhren lassen sich wesentlich kleinere Unsicherheiten und höhere Stabilitäten bei der Realisierung der Zeiteinheit erreichen als mit Mikrowellennormalen [1]. Um dieses Potenzial voll auszuschöpfen, ist es erforderlich, auch optische Uhren mit unterschiedlichen optischen Frequenzen und an unterschiedlichen Standorten direkt miteinander vergleichen zu können. Da heutige Satellitenverbindungen nicht die erforderliche Kurzzeitstabilität und Genauigkeit erreichen [2], wurden in den letzten Jahren optische Glasfaserverbindungen im Telekommunikationsfenster bei 1,5 µm eingehend auf ihre Eignung für hochgenaue Uhrenvergleiche untersucht [3, 4, 5]. Diese Glasfasern sind überwiegend unterirdisch verlegt, gut geschützt und weisen eine geringe Dämpfung von etwa 0,25 dB pro Kilometer für Strahlung im nahen Infrarot auf, sodass sich unter Verwendung Erbium-dotierter Faserverstärker nahezu transparente Faserverbindungen zwischen ausgewählten Punkten aufbauen lassen.
Für die Verbindung zum MPQ wurden insgesamt neun fernsteuerbare Verstärker, die das Signal etwa alle 100 km verstärken, entlang der 900 km langen Übertragungsstrecke getestet und eingebaut.
Bevor jedoch höchstpräzise Frequenzen an Industrie und Forschungseinrichtungen weitergeben werden können, müssen allerdings mechanische, akustische und thermische Einflüsse auf die optische Faser, die sich am Ende der Übertragungsstrecke durch Frequenzfluktuationen bemerkbar machen, interferometrisch erfasst und aktiv unterdrückt werden.
Erste Ergebnisse an dieser 900 km langen, frequenzstabilisierten optischen Verbindung belegen, dass es möglich ist, die Frequenzen hochstabiler Laser mit einer Kurzzeitstabilität von σ_y(τ) ≤ 3·10^-14 s/τ miteinander zu vergleichen. Dies ermöglicht den genauen Vergleich zwischen Frequenznormalen in beiden Instituten. Insbesondere lässt sich damit die z. B. Frequenz des 1S-2S Übergangs im Wasserstoffatom zukünftig direkt auf eine primäre Cs-Fontänenuhr der PTB rückführen.

Instabilität eines hochstabilen Lasers am MPQ (NIR_MPQ) im Vergleich mit einem Wasserstoffmaser (H5) oder einem stabilisierten Laser der PTB gemessen über eine Glasfaserstrecke von ca. 900 km.

1. T. Rosenband, D.B. Hume, P.O. Schmidt, C.W. Chou, A. Brusch, L. Lorini, W.H. Oskay, R.E. Drullinger, T.M. Fortier, J.E. Stalnaker, S.A. Diddams, W.C. Swann, N.R. Newbury, W.M. Itano, D.J. Wineland, and J.C. Bergquist; Frequency Ratio of Al⁺ and Hg⁺ Single-Ion Optical Clocks; Metrology at the 17^th Decimal Place, Science 319, 1808-1812 (2008)
   
   
2. A. Bauch, J. Achkar, S. Bize, D. Calonico, R. Dach, R. Hlava´c, L. Lorini, T. Parker, G. Petit, D. Piester, K. Szymaniec and P. Uhrich; Comparison between frequency standards in Europe and the USA at the 10^-15 uncertainty level, Metrologia, vol. 43, 109, (2006)
   
   
3. S. M. Foreman, K. W. Holman, D. D. Hudson, D. J. Jones, and J. Ye; Remote transfer of ultrastable frequency references via fiber networks, Rev. Sci. Instrum., 78, 021101, (2007)
   
   
4. F. Narbonneau, M. Lours, S. Bize, A. Clairon, G. Santarelli, O. Lopez, Ch. Daussy, A. Amy- Klein, and Ch. Chardonnet; High resolution frequency standard dissemination via optical fiber metropolitan network, Rev. Sci. Instrum. 77, 064701, (2006)
   
   
5. O. Terra, G. Grosche, K. Predehl, R. Holzwarth, Thomas Legero, Uwe Sterr, B. Lipphardt, and H. Schnatz;
   Phase- coherent comparison of two optical frequency standards over 146 km using a telecommunication fiber link
   Appl. Phys. B97, 541-551, (2009)