05.02.2014
Die hochgenaue zeitliche Verknüpfung lokaler Beobachtungen über große Entfernungen hinweg ist eine der wesentlichen Grundlagen für die Erforschung der Naturgesetze. An der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt wurde ein Verfahren entwickelt zur „Fern-Synchronisation“ von Frequenzmessungen, den zur Zeit genauesten Messungen der Wissenschaft. Dies würde unter anderem die Synchronisation großräumiger Experimente erlauben, wie z.B. Flugzeitmessungen von Neutrinos [1]. Ein weiteres mögliches Anwendungsgebiet ist der synchrone Betrieb räumlich weit voneinander entfernter optischer Frequenzstandards und optischer Uhren [2]. Hier kann mittels phasenstabilisierter optischer Übertragung per Glasfaser auch an entfernten Orten das Licht desselben Lasers synchron verwendet werden, um eine Verbesserung der Stabilität zu erzielen.
Das Synchronisationsverfahren basiert auf der phasenstabilisierten Übertragung einer zeitlich veränderlichen Frequenz, die an beiden Enden der Übertragungsstrecke simultan gemessen wird. Durch die Phasenstabilisierung wird eine weitgehende Unterdrückung von Laufzeiteffekten erreicht. Dadurch liegt die momentane optische Frequenz gleichzeitig an beiden Enden der Übertragungsstrecke vor.
In einem Demonstrationsexperiment [3] wurde eine linear um ca. 240 kHz/s durchgestimmte, optische Frequenz über eine Entfernung von rund 150 km übertragen. Hierfür wurde ein Faserpaar verwendet, das die PTB mit der Leibniz-Universität in Hannover verbindet. Das Faserpaar wurde als Schleife verschaltet, so dass Anfang und Ende der Übertragungsstrecke in der PTB lagen.
Im Vergleich zu früheren Experimenten konnte die Auflösung der Synchronisationsmessung um fast sechs Größenordnungen von rund 0,1 ms auf ca. 200 ps verbessert werden. Die Auflösung ist anhand einer Beispielmessung in Abbildung 1 illustriert. Dieses Ergebnis wurde vor allem durch eine starke Vergrößerung der Rate der linearen Verstimmung der optischen Frequenz möglich. Hierfür wird ein Laser mithilfe einer durchstimmbaren Frequenzquelle auf einen zweiten Laser stabilisiert. Es konnte gezeigt werden, dass bei „perfekter“ Synchronisation der Zähler, d.h. zu gleichen Zeiten, die Frequenz an beiden Enden der Übertragungsstrecke gleich ist, mit einer relativen Abweichung von unter 2x10-19.
In einem zweiten Schritt wurde dies dazu genutzt, den Zeitversatz absichtlich fehlsynchronisierter Frequenzzähler in einer kalibrierten Synchronisationsmessung zu bestimmen. Für die Auswertung wurden zusätzlich lokale Referenzmessungen des Zeitversatzes durchgeführt. Hierbei konnte eine statistische Unsicherheit von ca. 1 ps bei einer Gesamtunsicherheit von ca. 50 ps für die lokale Referenzmessung erreicht werden. Die Ergebnisse der Fern-Synchronisation über eine Strecke von ca. 150 km stimmten innerhalb einer Gesamtunsicherheit von rund 500 ps sehr gut mit den Referenzmessungen überein.
Die Synchronisationsmessung beruht auf der Verwendung von Standardkomponenten der optischen Frequenzübertragung. Diese Methode erlaubt außerdem eine neue Methode der Zeitübertragung durch Anbindung an oder den Vergleich der internen Messintervalle des Frequenzzählers mit einer lokalen Zeitskala. Bereits mit der bestehenden Genauigkeit kann das Verfahren genutzt werden, um die Ergebnisse eines satellitengebundenen Zeitvergleichs unabhängig zu überprüfen.
Die Abbildung zeigt die „Time Deviation (TDEV)" als Maß für die die Auflösung begrenzende Instabilität der Synchronisationsmessung. Die Synchronisationsmessung mit Hilfe einer linear durchgestimmten, optischen Frequenz wurde über eine Streckenlänge von ca. 150 km durchgeführt. Die Instabilität erreicht hier Werte, die zwischen 100 ps und 200 ps liegen.
Literatur:
[1] M. Antonelleo et al., J. High Energy Phys. DOI 10.1007/JHEP11(2012)049 (2012)
[2] N. Hinkley et al., Science, DOI: 10.1126/science.1240420 (2013)
[3] S. M. F. Raupach und G. Grosche, arXiv:1308.6725 (2013)