Optische Glasfaser von 147 km Länge überträgt hochgenaue optische Frequenzen zwischen Universität Hannover und PTB: erster Faserlink im deutschen Verbund charakterisiert

Für neueste optische Uhren wurden jüngst relative Unsicherheiten von kleiner 10^-16berichtet [1]. Etablierte Verfahren zur Zeit- und Frequenzübertragung per Satellit erreichen derzeit eine relative Unsicherheit von etwa 10^-15 bei Mittelung über einen Tag (siehe „GPS-carrier phase“ in Abb. 1); eine Alternative ist die Nutzung unterirdisch verlegter, optischer Telekommunikationsglasfasern. Ein neues Konzept der PTB zur Übertragung höchststabiler Frequenzen per Glasfaser [2] ist nun weiterentwickelt und erstmals an einer längeren verlegten Faserstrecke in Deutschland erprobt worden.

In Zusammenarbeit mit dem Deutschen Forschungs-Netz (DFN), den Firmen Gasline und EN-BS, und dem Rechenzentrum der PTB wurde eine Glasfaserstrecke von 147 km Länge aufgebaut, die unterirdisch von der PTB zu einem Labor der Universität Hannover und zurück verläuft. Mit einem Frequenzkamm wird die Stabilität eines optischen Frequenzstandards der PTB – dem Calcium-Uhrenlaser bei 657 nm – auf einen Laser im optischen Telekommunikationsband bei 1,55 µm übertragen [3]. Die synthetisierte, hochstabile optische Frequenz – mit einer Kohärenzlänge von über 10000 km – durchläuft die Faserstrecke und kann an der Universität Hannover z.B. zur Charakterisierung des dortigen Frequenzstandards mit neutralen Mg-Atomen [4], oder zur Erzeugung einer hochstabilen Mikrowellenfrequenz genutzt werden.

Mechanische, thermische und akustische Einflüsse, die auf die Faser wirken, erzeugen Dopplerverschiebungen für das transmittierte Licht. Diese Frequenzfluktuationen werden durch ein faserbasiertes Interferometer in der PTB erfasst und mit einer Regelung kompensiert. Durch eine Weiterentwicklung des Interferometers in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut, Garching, wurde nun eine verbesserte Nachweisempfindlichkeit und Kompensation von Frequenzfluktuationen erreicht. Das Kompensationssystem zeigt Fluktuationen kleiner 5x10^-17 bei einer Sekunde, und 10^-20 über etwa eine Stunde Mittelungszeit, Abb. 1. Abbildung 1 zeigt auch, welche verbleibenden Frequenzfluktuationen sich durch die Übertragung über eine Strecke von 147 km ergeben, in Abhängigkeit von der Mittelungszeit. Bereits nach einer Stunde wird eine relative Unsicherheit von 1x10^-18 erreicht [5]; dies ist dicht an einer auf Laufzeit-Effekten basierenden, fundamentalen Grenze [6].

Die präzisesten optischen Frequenznormale können mit dem Verfahren über weite Strecken verteilt, für physikalische Experimente genutzt und untereinander verglichen werden. Eine frühere Frequenzmessung des optischen Frequenzstandards an der Universität Hannover mit einer portablenFrequenzreferenz war durch deren Instabilität limitiert [4]. Die fasergestützte Übertragung der Frequenz erlaubt nun eine genauere Messung und Charakterisierung des – inzwischen verbesserten – Mg-Frequenzstandards.

[1] T. Rosenband, D. B. Hume, P. O. Schmidt, C. W. Chou, A. Brusch, L. Lorini, W. H. Oskay, R. E. Drullinger, T. M. Fortier, J. E. Stalnaker,S. A. Diddams, W. C. Swann, N. R. Newbury, W. M. Itano, D. J. Wineland, J. C. Bergquist, SCIENCE Express 6.3.2008; Science 319 (5871) 1808-1812 (2008)

[2] G. Grosche, B. Lipphardt, H. Schnatz, G. Santarelli, P. Lemonde, S. Bize, M. Lours, F. Narbonneau, A. Clairon, O. Lopez, A. Amy-Klein und Ch. Chardonnet, in: Technical Proceed. of CLEO (USA), paper CMKK1 (2007

[3] G. Grosche, B. Lipphardt und H. Schnatz, Eur. Phys. J. D 48. 27-33 (2008

[4] J. Friebe, A. Pape, M. Riedmann, K. Moldenhauer, T. Mehlstäubler, N. Rehbein, Ch. Lisdat, E. M. Rasel, W. Ertmer, H. Schnatz, B. Lipphardt und G. Grosche, Phys. Rev. A 78, 033830 (2008)

[5] G. Grosche, O. Terra, K. Predehl, R. Holzwarth, B. Lipphardt und H. Schnatz : “Measurement noise floor for a long-distance optical carrier transmission via fiber”, Beitrag beim 7^th Symposium on Frequency Standards and Metrology, Pacific Grove, USA, 5.-11. October 2008. paper P19.

[6] P.A. Williams, W.C. Swann, N.R. Newbury JOSAmB, 25 (8) p.1284 (2008)