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Zeitvergleiche von Atomuhren über Telekommunikationsfasern

02.12.2012

Frequenzvergleiche über weite Glasfaserstrecken z.B. für die Validierung von optischen Atomuhren werden in zunehmendem Maße verfolgt. Das enorme Potential der optischen Übertragung über Glasfasern bietet sich auch für den direkten Phasenvergleich – also Zeitvergleich – zwischen zwei Atomuhren an. Anders als den bisher verwirklichten Frequenzvergleichen kommt es nun auf eine exakte Kalibrierung von Signallaufzeiten an. Um das Verfahren erstmals zu testen wurde über eine 73 km lange Glasfaserstrecke ein absoluter Zeitvergleich (Time Transfer Through Optical Fibers, TTTOF) zwischen einer Atomuhr (ein passiver Wasserstoffmaser, PHM) an der Leibniz Universität Hannover und der Referenzzeitskala UTC(PTB) in Braunschweig  durchgeführt.

Für diesen Uhrenvergleich kamen Messmethoden zum Einsatz, die auch für Zeitvergleiche über Satelliten verwendet werden [1]. Es wurden phasenmodulierte Signale im Zweiweg-Verfahren ausgetauscht und vermessen. Wegen der praktisch nicht vorhandenen Bandbreitenbeschränkung auf der Faser konnte die höchste verfügbare Modulationsrate verwendet werden. Das hat wiederum ein äußerst geringes Messrauschen zur Folge. Bei allen relevanten Mittelungszeiten blieb die statistische Unsicherheit unter 6 ps.

Um Uhren nun absolut in ihrem Stand zu vergleichen, ist eine detaillierte Kalibrierung der Signallaufzeiten im Messaufbau unabdingbar. Die dazu notwendigen Messungen wurden an der PTB vor dem eigentlichen Experiment durchgeführt. Die abgeschätzte Unsicherheit für den absoluten Zeitvergleich liegt bei 74 ps. Das entspricht ungefähr einer Verbesserung um einen Faktor 10 gegenüber etablierten und routinemäßig eingesetzten Verfahren.

Parallel zum Zeitvergleich über die Faser wurde eine kalibrierte GPS-Verbindung aufgebaut. Im Bild (4xx_TTTOF.jpg) a) ist der Uhrenvergleich zwischen dem PHM und UTC(PTB) sowohl mittels TTTOF als auch über GPS dargestellt. Durch Subtraktion von linearen Trends (siehe b)) wird deutlich, wie viel rauschärmer der Vergleich über die Glasfaser im Verhältnis zum Vergleich über GPS ist. Beide Verfahren stimmen im Rahmen der Unsicherheit für den GPS-Vergleich (0.72 ns) sehr gut überein.

Vergleich eines passiven Wasserstoffmasers (PHM) an der Leibniz Universität in Hannover und der Referenzzeitskala UTC(PTB) in Braunschweig mittels Zeitübertragung über optische Fasern (TTTOF) und über GPS.


Literatur:

[1]        D. Piester, M. Rost, M. Fujieda, T. Feldmann, A. Bauch: Remote atomic clock synchronization via satellites and optical fibers, Advances in Radio Science 9, 1-7 (2011) doi:10.5194/ars-9-1-2011

[2]        M. Rost, D. Piester, W. Yang, T. Feldmann, T. Wübbena, A. Bauch, Time transfer through optical fibres over a distance of 73 km with an uncertainty below 100 ps, Metrologia 49 (2012)