Logo of the Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Neues System zur Erzeugung hochstabiler Mikrowellensignale für Fontänenuhren

13.10.2023

Für die optische Erzeugung hochstabiler Mikrowellensignale für Fontänenuhren wurde ein neues System entwickelt, das aus einem schmalbandigen, auf einen Resonator stabilisierten 1,5 µm Laser und einem kommerziellen Frequenzkammsystem beruht. Die 9,6 GHz Ausgangsfrequenz des Systems wird auf die 100 MHz Ausgangsfrequenz eines Wasserstoff-Masers geregelt und für die Abfrage des Uhrenübergangs in den Caesium-Fontänenuhren der PTB verwendet.

Herkömmliche Mikrowellensynthesen zur Erzeugung von 9,6 GHz-Signalen für Fontänenuhren basieren auf Quarzoszillatoren mit den besten am Markt verfügbaren Rauscheigenschaften. Nichtsdestotrotz trägt das Rauschen solcherart erzeugter Mikrowellensignale signifikant zur Frequenzinstabilität der Fontänenuhren bei. Messungen des Phasenrauschens des neuen Systems (s. Abbildung) zeigen, dass das erhaltene Mikrowellensignal keine Begrenzung für den sogenannten Quantenprojektionsrausch-limitierten Betrieb der Fontänenuhren auf dem Niveau von 1×10-14 darstellt. Tatsächlich ergeben sich vernachlässigbare Frequenzinstabilitätsbeiträge von 1,2×10-15 (CSF1) bzw. 1,4×10-15 (CSF2) bei einer Sekunde Mittelungszeit. Die neue 9,6 GHz Frequenzsynthese arbeitet im für die Fontänenuhren wichtigen zuverlässigen Dauerbetrieb.

Darüber hinaus ermöglicht das neue Frequenzkammsystem gleichzeitig die Erfassung der elektrischen Quadrupol- (E2) und Oktupol- (E3) Übergangsfrequenzen der 171Yb+-Frequenzstandards der PTB mit Bezug zur Frequenz des Wasserstoff-Masers. Diese Erfassung ist auch Voraussetzung dafür, dass diese optischen Frequenzstandards zukünftig zur Steuerung der UTC(PTB)-Zeitskala und der Internationalen Atomzeit TAI verwendet werden können. 

Die zugehörige Veröffentlichung wurde vom Editorial Board der Zeitschrift Applied Optics als „Editors‘ Pick“ ausgezeichnet.

B. Lipphardt, P. Walkemeyer, M. Kazda, J. Rahm, and S. Weyers, “Continuous optical generation of microwave signals for fountain clocks”, Applied Optics 62, 7628-7632 (2023)
https://doi.org/10.1364/AO.503631


Gemessene Spektrale Einseitenband-Phasenrauschdichte L(f) des optisch (rote Kurve) und herkömmlich mittels Quarz (schwarze Kurve) erzeugten 9,6 GHz-Mikrowellensignals.