Messung des Synchronisationsfehlers zweier Frequenzzähler über einen 900 km-Glasfaserlink mit Sub-ms-Genauigkeit

Frequenzmetrologie erfordert die zuverlässige Übertragung von - beispielsweise optischen - Frequenzen über große Entfernungen. Eine fehlerfreie Übertragung impliziert, dass die empfangene Frequenz mit der gesendeten Frequenz übereinstimmen muss. Zur Überprüfung dieser Bedingung müssen daher die von Empfänger und Sender gemessenen Frequenzen ν(t) verglichen werden. Sind dabei die Messintervalle der Frequenzzähler am Ort des Senders und am Ort des Empfängers leicht um Δt gegeneinander verschoben, führt jedoch bereits eine z.B. lineare Drift der Frequenz ν(t) = D_ν * t bei einem Vergleich der Signale zu einer scheinbaren Frequenzabweichung von Δν = D_ν * Δt. Damit ergäbe sich beispielsweise für einen Synchronisationsfehler von Δt = 10 ms bei einer Frequenzdrift von D_ν = 100 mHz/s eine scheinbare Frequenzabweichung von Δν = 1 mHz. Dies entspräche im Fall der Übertragung optischer Frequenzen (200 THz) einem systematischen Fehler von ca. 5x10^-18. Um den Synchronisationsfehler Δt zu bestimmen, wurde ein Verfahren entwickelt, das diesen Effekt mittels einer erzwungenen Frequenzrampe nutzt. Dabei wird die zu messende Frequenz mit einer Folge starker, abwechselnd positiver und negativer Frequenzrampen bekannter Steigung D_ν linear durchgestimmt und aus der resultierenden negativen bzw. positiven Frequenzabweichung Δν der Synchronisationsfehler Δt bestimmt. Eingesetzt wurde dieses Verfahren, um über eine phasenstabilisierte Glasfaserverbindung von ca. 900 km Länge den Synchronisationsfehler zwischen Frequenzzählern an der PTB in Braunschweig und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik bei München zu messen. Dazu wurde die Frequenz eines per Glasfaser von der PTB zu dem Max-Planck-Institut übertragenen Lasers mit einer erzwungenen Frequenzrampe von ca. 1 kHz/s moduliert. Daraus konnte der Synchronisationsfehler zwischen den Zählern in Braunschweig und München zu 14,49 ms bestimmt werden, mit einer aus der Instabilität der Messwerte bestimmten statistischen Unsicherheit von 40 μs. Derzeit wird das Verfahren bei Frequenzmessungen über die phasenstabilisierte Glasfaserverbindung zwischen Braunschweig und München eingesetzt.


Gezeigt ist eine durch die Frequenzrampe erzwungene Verschiebung der an der PTB gemessenen Schwebungsfrequenz zwischen zwei, über  900km Glasfaser miteinander  verbundenen Lasern in Braunschweig und München; die Gatezeit der Zähler beträgt eine Sekunde, die Frequenz des PTB-Lasers wurde mit ca. ±1kHz/s durchgestimmt (schwarze Linie); in blau ist die scheinbare Frequenzabweichung gezeigt, die sich aufgrund des Synchronisationsfehlers ergibt (Werte zur übersichtlicheren Darstellung über 5s gleitend gemittelt). Der Synchronisationsfehler konnte so zu (14,49±0,04) ms bestimmt werden.