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Symbolbild "Zeitschriften"

Schall macht Licht

Besonders interessant für:

  • Entwickler optischer Uhren
  • Geodäten
  • Radioastronomen

Mit einer neuen Methode der Signalverstärkung kann die PTB Frequenzen höchstpräzise viele hundert Kilometer lang über Glasfaserstrecken an den Nutzer weitergeben. Damit lassen sich die besten verfügbaren optischen Uhren auch über große Distanzen miteinander vergleichen.

Mit Glasfasern lassen sich nicht nur Nachrichten, sondern auch extrem genaue Frequenz-Informationen übertragen.

Wenn Licht nicht (wie in der Nachrichtentechnik) als Übermittler von Informationen dient, sondern eine Eigenschaft des Lichts – konkreter: seine Frequenz – selbst übertragen werden soll, und das auch noch mit größtmöglicher Präzision, dann geraten die bewährten Instrumente der Nachrichtentechnik an ihre Grenzen. Das neue System der Signalverstärkung nutzt stimulierte Brillouin-Streuung (fiber Brillouin amplifi cation). Dem Signal-Licht wird ein sogenanntes Pump-Licht mit genau definierter Frequenz entgegengeschickt, das in der Glasfaser akustische Wellen (im Teilchenbild: Phononen) anregt. An diesen akustischen Phononen wird wiederum das Pump-Licht gestreut, wobei die wenigen schon vorhandenen Signal-Photonen die Emission weiterer Signal-Photonen stimulieren. So entsteht eine mittels Schallwellen in Gang gehaltene Photonen-Lawine, die die Frequenz-Information mit extrem geringen Verlusten bis ans andere Ende der Glasfaser bringt.

Bei ausreichender Verstärkung kann das Licht in der gleichen Faser vom entfernten Endpunkt wieder zum Sender zurück geschickt werden, um mit dieser Information dann die optische Weglänge der gesamten Strecke zu stabilisieren. So entsteht eine feste Phasenbeziehung zwischen zwei weit auseinander liegenden Orten; mit der stabilisierten Faserverbindung werden Frequenzen mit extremer Genauigkeit über lange Strecken transportiert. Nachdem über eine 73 km lange Glasfaserstrecke und mithilfe eines PTB-Frequenzstandards sowie von Femtosekunden-Frequenzkammgeneratoren die optische Magnesium-Uhr in der Leibniz Universität Hannover charakterisiert werden konnte, planten die PTB-Wissenschaftler eine direkte Faserverbindung von der PTB zum Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching – eine Strecke von rund 900 km Glasfaser, die das Licht, falls man es nicht verstärkt, um den unvorstellbaren Faktor von 1020 abschwächt. Mit dem neuen System werden nun auch sehr schwache Signale verstärkt; die Signalleistung wird um bis zu sechs Größenordnungen vervielfacht, sodass nur drei statt neun Verstärkerstationen nötig sind. Außerdem lassen sich gezielt sehr schmalbandige Lichtsignale verstärken, was günstig für die Untersuchung der schmalbandigen Uhrenübergänge von optischen Uhren ist.Die Methode wurde bereits an einer verlegten Faserstrecke getestet – in Kooperation mit dem Deutschen Forschungsnetz und der Firma GasLINE, die ein deutschlandweites Fasernetz betreiben. Mit nur einer Verstärker-Zwischenstation konnte die hochstabile Frequenz mit einer relativen Messunsicherheit von 2 · 10–18 über 480 km Faser übertragen werden.

Damit ist nun der Weg offen für die Verbindung zum MPQ in Garching, um hochstabile Referenzfrequenzen der PTB für gemeinsame Untersuchungen zu nutzen. Auch eine Verbindung zum französischen Partnerinstitut der PTB in Paris erscheint realistisch, sodass beide Institute in Zukunft gemeinsam an optischen Uhren arbeiten könnten. Darüber hinaus zeichnen sich bereits Anwendungen in der Geodäsie und auch in der Radioastronomie ab.

Ansprechpartner:

Telefon: +49-531-592-0

Wissenschaftliche Veröffentlichung:

Terra, O.; Grosche, G.; Schnatz, H.:
Brillouin amplification in phase coherent transfer of optical frequencies over 480 km fiber.Opt. Express 18, 16102-16111 (2010).