DE102021112017A1 - Process for active stabilization of the effective length of optical time and frequency transmission links - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur aktiven Stabilisierung der optischen Weglänge von optischen Zeit- und Frequenzübertragungsstrecken, mit den Schritten: (a) Aufmodulieren eines Modulatorsignals mit einer Modulatorfrequenz (fc) auf eine optische Eingangs-Frequenz (fa) von Eingangs-Licht (20), das in einen Referenzwelleneingang (12) eingeführt wird, (b) Abgeben von Licht mit der modulierten optischen Frequenz (fa+ fc) auf eine Übertragungsstrecke, insbesondere in einen Lichtleiter (16), der zu einem Nutzausgang (18) führt, und (c) Ermitteln einer HF-Schwebungsfrequenz (fr) zwischen der Eingangs-Frequenz (fa) von Referenz-Licht (20') und einer Empfangs-Frequenz (frück) von Rück-Licht (30), das beim Nutzausgang (18) reflektiert und durch den Lichtleiter (16) zurückgeleitet wurde, wobei erfindungsgemäß (d) Mischen der HF-Schwebungsfrequenz (fr) mit einer Lokaloszillatorfrequenz (fl) in einem Überlagerungsempfänger, sodass eine Zwischenfrequenz (fg= fr- fl) entsteht, (e) digitales Bestimmen einer Zwischenfrequenz-Phase (φg) der Zwischenfrequenz (fg) und (f) Erzeugen des Modulatorsignals anhand der Zwischenfrequenz-Phase (φg), sodass eine Änderung der optischen Weglänge des Lichtleiters (16) kompensiert wird, vorgesehen ist.The invention relates to a method for actively stabilizing the optical path length of optical time and frequency transmission paths, with the steps: (a) modulation of a modulator signal with a modulator frequency (fc) onto an optical input frequency (fa) of input light (20) , which is introduced into a reference wave input (12), (b) emitting light with the modulated optical frequency (fa+fc) onto a transmission path, in particular into an optical fiber (16) leading to a useful output (18), and (c ) Determining an HF beat frequency (fr) between the input frequency (fa) of reference light (20') and a reception frequency (frück) of return light (30) which is reflected at the useful output (18) and through the light guide (16) was returned, according to the invention (d) mixing the HF beat frequency (fr) with a local oscillator frequency (fl) in a superheterodyne receiver, so that an intermediate frequency (fg = fr- fl) arises, (e) digital Bes tuning an intermediate frequency phase (φg) of the intermediate frequency (fg) and (f) generating the modulator signal based on the intermediate frequency phase (φg) so that a change in the optical path length of the light guide (16) is compensated for.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur aktiven Stabilisierung der effektiven Länge von optischen Zeit- und Frequenzübertragungsstrecken gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine optische Signalübertragungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 8.The invention relates to a method for actively stabilizing the effective length of optical time and frequency transmission links according to the preamble of claim 1. According to a second aspect, the invention relates to an optical signal transmission device according to the preamble of claim 8.
Um eine optische Frequenz an einem von der Frequenzquelle beabstandeten Nutzausgang nutzen zu können, werden meistens Lichtleiter, insbesondere Glasfasern verwendet. Die optische Weglänge, die das Eingangs-Licht auf seinem Weg zum Nutzausgang zurücklegt, kann zeitlich schwanken, wenn der Lichtleiter sich verändert. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn der Lichtleiter - wie gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen - eine Länge von zumindest 10 Meter, insbesondere zumindest 100 Meter, hat.In order to be able to use an optical frequency at a useful output spaced apart from the frequency source, light guides, in particular glass fibers, are usually used. The optical path length that the input light covers on its way to the useful output can fluctuate over time if the light guide changes. This is particularly the case when the light guide--as provided according to a preferred embodiment--has a length of at least 10 meters, in particular at least 100 meters.
Eine Ursache für eine derartige Veränderung können beispielsweise Temperaturschwankungen, Luftdruckschwankungen, Vibrationen oder Änderungen der Zusammensetzungen der Umgebung des Lichtleiters sein. Eine Änderung der optischen Weglänge verändert die Frequenz und/oder die Phase am Nutzausgang. Es ist daher wünschenswert, Einflüsse auf die optische Weglänge im Lichtleiter zu kompensieren.A cause for such a change can be, for example, temperature fluctuations, air pressure fluctuations, vibrations or changes in the composition of the environment around the light guide. A change in the optical path length changes the frequency and/or the phase at the useful output. It is therefore desirable to compensate for influences on the optical path length in the light guide.
Aus der
Nachteilig an bekannten Verfahren ist zudem die vergleichsweise hohe Empfindlichkeit gegenüber Störungen.Another disadvantage of known methods is the comparatively high sensitivity to interference.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das Übertragen von optischen Frequenzen zu verbessern.The object of the invention is to improve the transmission of optical frequencies.
Die Erfindung löst das Problem durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1. Günstig ist es dann, wenn das Erzeugen des Modulatorsignals anhand der Zwischenfrequenz-Phase mittels direkter digitaler Synthese erfolgt. Alternativ kann das Modulatorsignal durch analoge Synthese erzeugt werden.The invention solves the problem by a method having the features of claim 1. It is advantageous if the modulator signal is generated on the basis of the intermediate frequency phase by means of direct digital synthesis. Alternatively, the modulator signal can be generated by analog synthesis.
Die Erfindung löst das Problem zudem durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 3 bzw. den Merkmalen der Ansprüche 1 und 3. In diesem Fall ist die Schwebungsfrequenz-Phase φr vorzugsweise die Zwischenfrequenz-Phase φg einer Zwischenfrequenz fg und wird bestimmt durch (a) Mischen der HF-Schwebungsfrequenz fr mit einer Lokaloszillatorfrequenz fl in einem Überlagerungsempfänger, sodass die Zwischenfrequenz entsteht, und (b) digitales Bestimmen einer Zwischenfrequenz-Phase φg der Zwischenfrequenz fg.The invention also solves the problem by a method having the features of claim 3 or the features of claims 1 and 3. In this case the beat frequency phase φ r is preferably the intermediate frequency phase φ g of an intermediate frequency f g and is determined by (a) mixing the RF beat frequency f r with a local oscillator frequency fl in a heterodyne receiver to produce the intermediate frequency, and (b) digitally determining an intermediate frequency phase φ g of the intermediate frequency f g .
Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch eine optische Signalübertragungsvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 8. Der Signalgenerator ist dann vorzugsweise zum Erzeugen der Modulatorfrequenz mittels direkter digitaler Synthese ausgebildet. Alternativ ist der Signalgenerator zum Erzeugen der Modulatorfrequenz mittels analoger Synthese ausgebildet.According to a second aspect, the invention solves the problem by an optical signal transmission device having the features of claim 8. The signal generator is then preferably designed to generate the modulator frequency by means of direct digital synthesis. Alternatively, the signal generator is designed to generate the modulator frequency by means of analog synthesis.
Die Erfindung löst das Problem zudem durch eine optische Signalübertragungsvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 10 bzw. den Merkmalen der Ansprüche 8 und 10. In diesem Fall ist der Empfänger vorzugsweise ein Überlagerungsempfänger, der ausgebildet ist zum digitalen Bestimmen eines Phasenunterschieds zwischen dem Referenz-Licht und Rück-Licht, das beim Nutzausgang reflektiert und durch den Lichtleiter zurückgeleitet wurde.The invention also solves the problem by an optical signal transmission device having the features of
Insbesondere verwendet die Erfindung superheterodyne Detektion von Phasenunterschieden zwischen dem Eingangs-Licht und dem Rück-Licht.In particular, the invention uses superheterodyne detection of phase differences between the input light and the return light.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Modulatorsignal insbesondere ein elektrisches Signal verstanden. Das Aufmodulieren kann akusto-optisch oder elektro-optisch erfolgen. HF steht für Hochfrequenz.In the context of the present description, a modulator signal is understood to mean, in particular, an electrical signal. The modulation can be acousto-optical or electro-optical. HF stands for high frequency.
Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass Phasenstörungen, das heißt Variationen der optischen Weglänge zwischen Nutzausgang und Referenzwelleneingang, meist mit hoher Bandbreite kompensierbar sind.The advantage of the solution according to the invention is that phase disturbances, ie variations in the optical path length between the useful output and the reference wave input, can usually be compensated for with a high bandwidth.
Günstig ist zudem die in der Regel gegenüber vielen bekannten Verfahren geringe Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen der optischen Leistung am Referenzwelleneingang und/oder dem Nutzausgang.In addition, the sensitivity to fluctuations in the optical power at the reference wave input and/or the useful output, which is generally low compared to many known methods, is advantageous.
Vorteilhaft ist zudem, dass - gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung - die Signalstärke der HF-Schwebungsfrequenz erfasst werden kann. Es ist dann möglich, solche Zeitintervalle zu identifizieren, in denen kein hinreichend großes Signal vorlag, sodass Störungen nicht korrigiert werden konnten. In anderen Worten ist ermittelbar, in welchen Zeitintervallen die Kompensation der Änderung der optischen Weglänge des Lichtleiters möglich war. Die Bestimmung dieser Zeitintervalle stellt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Es ist dann möglich, in diesem entsprechenden Intervall die optische Frequenz mit einer geringen Unsicherheit zu übertragen.It is also advantageous that—according to a preferred embodiment of the invention—the signal strength of the HF beat frequency can be detected. It is then possible to identify those time intervals where there was not a sufficiently large signal such that interference is not corrected could become. In other words, the time intervals in which it was possible to compensate for the change in the optical path length of the light guide can be determined. The determination of these time intervals represents a preferred embodiment of the method according to the invention. It is then possible to transmit the optical frequency with a small degree of uncertainty in this corresponding interval.
Günstig ist es zudem, dass die Lokaloszillatorfrequenz fl so gewählt werden kann, dass die Zwischenfrequenz fg oberhalb einer Übergangsfrequenz des analogen elektrischen 1/f-Rauschens liegt, insbesondere oberhalb von 100 Hertz. Die Wahl einer derartigen Lokaloszillatorfrequenz stellt eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens dar. In diesem Fall ist die Übertragung der optischen Frequenz weitgehend unempfindlich gegenüber diesem 1/f-Rauschen.It is also favorable that the local oscillator frequency f l can be selected in such a way that the intermediate frequency f g is above a transition frequency of the analog electrical 1/f noise, in particular above 100 Hertz. The choice of such a local oscillator frequency represents a preferred embodiment of the method. In this case, the transmission of the optical frequency is largely insensitive to this 1/f noise.
Günstig ist es, wenn die Lokaloszillatorfrequenz fl durch direkte digitale Synthese erzeugt wird. Günstig ist es, wenn der Hochfrequenz-Lokaloszillator mit einer rückgeführten Frequenzquelle verbunden ist und anhand der Frequenz der Frequenzquelle die Lokaloszillatorfrequenz fl erzeugt. Derartige Hochfrequenz-Lokaloszillatoren liefern eine geringe Unsicherheit bei der Erzeugung der HF-Frequenz. Da die optische Frequenz eine um zumindest drei Größenordnungen größere Frequenz ist, ist der Beitrag der Unsicherheit der Erzeugung der HF-Frequenz zur Unsicherheit des optischen Zeit- und Frequenzsignals am Nutzausgang extrem klein.It is favorable if the local oscillator frequency f l is generated by direct digital synthesis. It is favorable if the high-frequency local oscillator is connected to a fed-back frequency source and generates the local oscillator frequency f l using the frequency of the frequency source. Such high-frequency local oscillators provide a low level of uncertainty when generating the HF frequency. Since the optical frequency is at least three orders of magnitude larger, the contribution of the uncertainty of the generation of the HF frequency to the uncertainty of the optical time and frequency signal at the useful output is extremely small.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt eines Teilens des Eingangs-Lichts mittels eines Strahlteilers und eines Reflektierens des geteilten Lichtstrahls mittels eines Reflektorelements, sodass Referenz-Licht entsteht, wobei das Ermitteln der HF-Schwebungsfrequenz ein Überlagern des Referenz-Lichts und des Rück-Lichts auf einem Detektorelement umfasst.According to a preferred embodiment, the method comprises the step of splitting the input light by means of a beam splitter and reflecting the split light beam by means of a reflector element, so that reference light is produced, with the determination of the RF beat frequency being a superimposition of the reference light and the return -Light on a detector element includes.
Alternativ kann das Verfahren die Schritte (a) Teilen des Eingangs-Lichts mittels eines Strahlteilers und (b) Reflektieren des geteilten Lichtstrahls mittels eines Reflektorelements, sodass das Referenz-Licht entsteht, umfassen.Alternatively, the method may include the steps of (a) splitting the input light using a beam splitter and (b) reflecting the split light beam using a reflector element to form the reference light.
Günstig ist es, wenn der Strahlteiler und das Reflektorelement starr mittels einer Verbindungsstruktur miteinander verbunden sind. Die Strecke zwischen dem Strahlteiler und dem Reflektorelement einerseits und dem Lichtleiter andererseits sowie der Strahlteiler und das Detektorelement bilden ein Michelson-Interferometer. Dieses hat stark asymmetrische Arme. Dadurch, dass der Strahlteiler und das Reflektorelement starr miteinander gekoppelt sind, wird die Referenzstrecke mit geringer Unsicherheit konstant gehalten.It is favorable if the beam splitter and the reflector element are rigidly connected to one another by means of a connecting structure. The path between the beam splitter and the reflector element on the one hand and the light guide on the other hand as well as the beam splitter and the detector element form a Michelson interferometer. This one has strongly asymmetrical arms. Due to the fact that the beam splitter and the reflector element are rigidly coupled to one another, the reference distance is kept constant with little uncertainty.
Das Referenzlicht kann auch auf andere Weise erzeugt werden, vorteilhaft ist dann, wenn das Referenzlicht in fester Phasenbeziehung zum Eingangs-Licht steht.The reference light can also be generated in other ways; it is advantageous if the reference light is in a fixed phase relationship to the input light.
Besonders günstig ist es, wenn der Strahlteiler, das Reflektorelement und die Verbindungsstruktur auf einer vorgegebenen Temperatur gehalten werden. In anderen Worten werden der Strahlteiler, das Reflektorelement und die Verbindungsstruktur thermisch stabilisiert. Günstig ist es, wenn Temperaturschwankungen kleiner sind als 20 mK/s.It is particularly favorable if the beam splitter, the reflector element and the connecting structure are kept at a predetermined temperature. In other words, the beam splitter, the reflector element and the connection structure are thermally stabilized. It is favorable when temperature fluctuations are less than 20 mK/s.
Günstig ist es, wenn das Bestimmen der Zwischenfrequenz-Phase die folgenden Schritte umfasst: (a) Tiefpass-Filtern eines Mischungssignals, das durch Mischen der HF-Schwebungsfrequenz mit der Lokaloszillatorfrequenz entsteht, (b) Digitalisieren des tiefpassgefilterten Mischungssignals und (c) Bestimmen der Zwischenfrequenz-Phase mittels einer Phasendetektionsvorrichtung, insbesondere eines Quadratur-Demodulators oder eines Lock-in-Detektors. Da die Lokaloszillatorfrequenz mit geringer Unsicherheit bekannt ist, enthält das Mischungssignal die Phaseninformation ebenfalls mit geringer Unsicherheit. Durch das Tiefpassfiltern wird das Frequenzsignal erhalten, das die Differenz der Phase von Eingangs-Licht und Rück-Licht am Detektionselement enthält. Aus diesem Signal kann mittels der Phasendetektionsvorrichtung mit hoher Genauigkeit die Zwischenfrequenz-Phase ermittelt werden.It is favorable if the determination of the intermediate frequency phase comprises the following steps: (a) low-pass filtering of a mixture signal which is produced by mixing the RF beat frequency with the local oscillator frequency, (b) digitizing the low-pass filtered mixture signal and (c) determining the Intermediate frequency phase using a phase detection device, in particular a quadrature demodulator or a lock-in detector. Since the local oscillator frequency is known with little uncertainty, the mixed signal also contains the phase information with little uncertainty. The frequency signal containing the difference in the phase of the input light and the return light at the detection element is obtained by the low-pass filtering. The intermediate frequency phase can be determined from this signal with high accuracy using the phase detection device.
Das Modulatorsignal hat eine Modulatorfrequenz fc und eine Modulatorfrequenz-Phase φc. Das Erzeugen des Modulatorsignals anhand der Zwischenfrequenz-Phase umfasst vorzugsweise den Schritt eines Regelns eines Direkt-Digital-Synthesizers mittels eines Reglers, insbesondere eines PI-Reglers, anhand der Zwischenfrequenz-Phase auf eine Soll-Phase. Das erlaubt das Regeln des Modulatorsignals in Frequenz und Phase, sodass optische Weglängenänderungen schnell kompensiert werden. Die Regelcharakteristik des Verfahrens vermeidet selbst für hochfrequente Phasenschwankungen 2π-Phasenfehler (cycle slips).The modulator signal has a modulator frequency f c and a modulator frequency phase φ c . Generating the modulator signal based on the intermediate frequency phase preferably includes the step of controlling a direct digital synthesizer by means of a controller, in particular a PI controller, based on the intermediate frequency phase to a target phase. This allows the frequency and phase of the modulator signal to be controlled so that optical path length changes are quickly compensated. The control characteristics of the method avoid 2π phase errors (cycle slips) even for high-frequency phase fluctuations.
Vorzugsweise beträgt die Lokaloszillatorfrequenz zwischen fl = 1 Megahertz und fl = 100 Gigahertz. Damit liegt die Zwischenfrequenz fg vorzugsweise zwischen 100 Hertz und vorzugsweise höchstens 30 Megahertz. Solche Frequenzen lassen sich einfach digitalisieren.The local oscillator frequency is preferably between f l =1 megahertz and f l =100 gigahertz. Thus, the intermediate frequency f g is preferably between 100 hertz and preferably at most 30 megahertz. Such frequencies can easily be digitized.
Die Frequenz fc des Modulatorsignals liegt vorzugsweise zwischen 1 Megahertz und 100 Gigahertz.The frequency f c of the modulator signal is preferably between 1 megahertz and 100 gigahertz.
Günstig ist es, wenn das Verfahren den Schritt des Modulierens des Eingangs-Lichts beim Nutzausgang mit einem zweiten Modulatorsignal umfasst. Das zweite Modulatorsignal wird vorzugsweise ebenfalls durch direkte digitale Synthese erzeugt. Dadurch, dass das Eingangs-Licht nur beim Nutzausgang mit dem zweiten Modulatorsignal moduliert wird, ist sichergestellt, dass Licht bei einer Frequenz, die sich aus beiden Modulatoren ergibt, am Nutzausgang reflektiert wurde.It is favorable if the method includes the step of modulating the input light at the useful output with a second modulator signal. The second modulator signal is preferably also generated by direct digital synthesis. Because the input light is modulated with the second modulator signal only at the useful output, it is ensured that light at a frequency that results from both modulators was reflected at the useful output.
Wird ein zweites Modulatorsignal verwendet, so liegt dessen Frequenz vorzugsweise im Bereich unterhalb von 100 Gigahertz und vorzugsweise oberhalb von 1 Megahertz.If a second modulator signal is used, its frequency is preferably in the range below 100 gigahertz and preferably above 1 megahertz.
Der Empfänger ist vorzugsweise ein Überlagerungsempfänger. Der Überlagerungsempfänger ist insbesondere ausgebildet zum digitalen Bestimmen eines Phasenunterschieds e zwischen dem Referenz-Licht und Rück-Licht, das beim Nutzausgang (18) reflektiert und durch den Lichtleiter (16) zurückgeleitet wurde.The receiver is preferably a heterodyne receiver. The superheterodyne receiver is designed in particular to digitally determine a phase difference e between the reference light and return light that was reflected at the useful output (18) and fed back through the light guide (16).
Der Überlagerungsempfänger besitzt vorzugsweise (a) ein Detektionselement, das angeordnet ist zum Mischen des Eingangs-Lichts mit dem Rück-Licht, sodass eine HF-Schwebungsfrequenz besteht, (b) einen Hochfrequenz-Lokaloszillator zum Erzeugen einer Lokaloszillatorfrequenz, (c) einen Mischer zum Mischen der HF-Schwebungsfrequenz und der Lokaloszillatorfrequenz, sodass eine Zwischenfrequenz entsteht, und (d) eine Phasendetektionsvorrichtung zum Bestimmen einer Zwischenfrequenz-Phase der Zwischenfrequenz auf. Der Signalgenerator erzeugt das Modulatorsignal, insbesondere die Modulatorfrequenz, vorzugsweise anhand der Zwischenfrequenz-Phase.The heterodyne receiver preferably has (a) a detection element arranged to mix the input light with the return light so that an RF beat frequency exists, (b) a high frequency local oscillator for generating a local oscillator frequency, (c) a mixer for mixing the RF beat frequency and the local oscillator frequency to produce an intermediate frequency, and (d) phase detection means for determining an intermediate frequency phase of the intermediate frequency. The signal generator generates the modulator signal, in particular the modulator frequency, preferably based on the intermediate frequency phase.
Günstig ist es, wenn der Überlagerungsempfänger einen digitalen Lock-in-Detektor zum Bestimmen eines Phasenunterschieds in Form der doppelten Phasendifferenz des Rück-Lichts zum Referenz-Licht aufweist. Vorzugsweise weist der Signalgenerator einen Direkt-Digital-Synthesizer auf. Der Direkt-Digital-Synthesizer wird vorzugsweise mittels eines Reglers, insbesondere eines PI-Reglers, anhand des Phasenunterschieds e geregelt.It is favorable if the superheterodyne receiver has a digital lock-in detector for determining a phase difference in the form of double the phase difference between the return light and the reference light. The signal generator preferably has a direct digital synthesizer. The direct digital synthesizer is preferably controlled by means of a controller, in particular a PI controller, based on the phase difference e.
Vorzugsweise besitzt die Frequenzübertragungsvorrichtung einen Strahlteiler zum Teilen des Eingangs-Lichts und/oder ein Reflektorelement zum Reflektieren des geteilten Lichtstrahls, sodass Referenz-Licht entsteht. Günstig ist es, wenn der Strahlteiler und das Reflektorelement starr mittels einer Verbindungsstruktur miteinander gekoppelt sind. Das vermindert die Messunsicherheit und/oder den Aufbau. Aus den gleichen Gründen ist eine Temperaturstabilisierungseinheit vorteilhaft, die angeordnet ist zum Halten des Strahlteilers, des Reflektorelements und der Verbindungsstruktur auf einer vorgegebenen Temperatur.The frequency transmission device preferably has a beam splitter for splitting the input light and/or a reflector element for reflecting the split light beam so that reference light is produced. It is favorable if the beam splitter and the reflector element are rigidly coupled to one another by means of a connection structure. This reduces the measurement uncertainty and/or the structure. For the same reasons, a temperature stabilization unit arranged to keep the beam splitter, the reflector element and the connection structure at a predetermined temperature is advantageous.
Die optische Frequenzübertragungsvorrichtung kann einen zweiten Modulator aufweisen, der am Nutzausgang angeordnet und ausgebildet ist zum Aufmodulieren einer zweiten Modulatorfrequenz fd. Die zweite Modulatorfrequenz fd beträgt vorzugsweise höchstens 100 GHz.The optical frequency transmission device can have a second modulator, which is arranged at the useful output and designed to modulate a second modulator frequency f d . The second modulator frequency f d is preferably at most 100 GHz.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die optische Frequenzübertragungsvorrichtung eine optische Frequenzquelle, die eine Frequenzinstabilität von höchstens 10-13, insbesondere 10-14, vorzugsweise 10-15, jeweils bezogen auf eine Ermittlungszeit von einer Sekunde, hat.According to a preferred embodiment, the optical frequency transmission device comprises an optical frequency source which has a frequency instability of at most 10 -13 , in particular 10 -14 , preferably 10 -15 , each based on a determination time of one second.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
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1 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen optischen Frequenzübertragungsvorrichtung mit dem Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 a circuit diagram of the optical frequency transmission device according to the invention with the implementation of a method according to the invention.
Der Referenzwelleneingang 12 ist ausgebildet zum Einführen von Eingangs-Licht 20, das in der Regel in Form eines Laserstrahls vorliegt. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass der Referenzwelleneingang ein Anschlussstück 22.1 aufweist, mittels dem ein Zuleitungs-Lichtleiter 24 angeschlossen werden kann.The
Der Zuleitungs-Lichtleiter 24 ist beispielsweise mit einem nicht eingezeichneten Frequenznormal verbunden, insbesondere einer optischen Atomuhr.The feed
Der Modulator 14 ist in einer Lichtausbreitungsrichtung L hinter dem Referenzwelleneingang 12 angeordnet und ist ausgebildet zum Modulieren des Eingangs-Lichts 20 mit einem Modulatorsignal. Das Eingangs-Lichts 20 hat eine Eingangs-Frequenz fa. und eine Eingangs-Phase φa. Das Modulatorsignal hat eine Modulatorfrequenz fc und eine Modulatorphase φc.The
Bei der Übertragung in einem Lichtleiter 16 handelt es sich vorzugsweise um eine Übertragung in einer Glasfaser. Der Lichtleiter 16 ist mit dem Modulator 14 zum Leiten von Licht verbunden, das vom Modulator 14 abgegeben wird. Eine Länge l16 des Lichtleiters 16 beträgt vorzugswiese zumindest 10 Zentimeter, insbesondere zumindest 3 Meter, insbesondere zumindest 30 Meter, besonders bevorzugt zumindest 300 Meter. In der Regel ist die Länge l16 kleiner als 40 000 km.Transmission in an
Der Nutzausgang kann ebenfalls ein Anschlussstück 22.2 aufweisen, mittels dem ein Ableitungs-Lichtleiter 26 angeschlossen werden kann, das ist aber nicht notwendig. Maßgeblich ist lediglich, dass Licht aus dem Lichtleiter 16 so austreten kann, dass es für eine weitere Anwendung nutzbar ist.The useful output can also have a connection piece 22.2, by means of which a discharge
Die optische Frequenzübertragungsvorrichtung 10 umfasst zudem einen Strahlteiler 28, mittels dem Rück-Licht 30 ausgekoppelt werden kann. Rück-Licht 30 ist solches Licht, das vom Modulator 14 durch den Lichtleiter 16 gelaufen und am Nutzausgang 18 von einem Reflektor 19 reflektiert wurde.The optical
Der Strahlteiler 28 erlaubt zudem die Erzeugung von Referenzlicht 20' aus dem Eingangs-Licht 20. Dazu wird ein Teil des Eingangs-Lichts 20 vom Strahlteiler 28 auf ein Reflektorelement 33 reflektiert. Der Strahlteiler 28 und das Reflektorelement 33 sind starr mittels einer schematisch eingezeichneten Verbindungsstruktur 31 miteinander gekoppelt.The
Das Rück-Licht 30 wird einem Überlagerungsempfänger 32 zugeleitet, der ein Detektionselement 34, einen Hochfrequenz-Lokaloszillator 36, einen Mischer 38 und einen Filter 46, einen Analog-Digital-Wandler 48 und eine Phasendetektionsvorrichtung 40 besitzt.The return light 30 is fed to a
Auf dem Detektionselement 34 wird das Rück-Licht 30 mit Referenz-Licht 20' überlagert, das beispielsweise am Strahlteiler 28 vom Eingangs-Licht 20 ausgekoppelt wurde.The return light 30 is superimposed on the
Die optische Frequenzübertragungsvorrichtung 10 kann einen zweiten Modulator 42 aufweisen, das ist aber nicht notwendig. Ist der zweite Modulator 42 vorhanden, so ändert er die Frequenz des Nutz-Lichts 44 am Nutzausgang 18 um eine zweite Modulatorfrequenz fd. Das aus dem Nutzausgang 18 austretendes Nutz-Licht 44 hat eine Nutzlichtfrequenz fb
Dazu sei angemerkt, dass kein Frequenzanteil für etwaige Störungen in der Formel enthalten ist, da diese, wie im Folgenden beschrieben wird, herausgeregelt werden.It should be noted that the formula does not include a frequency component for any interference, as this is eliminated as described below.
Durch das Überlagern des Referenz-Lichts 20' und des Rück-Lichts 30 auf dem Detektionselement 34 ergeben sich mehrere Mischfrequenzen. Eine der Mischfrequenzen ist die HF-Schwebungsfrequenz fr mit
Darin ist eine Störfrequenz fn enthalten, die durch eine Änderung der optischen Weglänge der Übertragungsstrecke 16, insbesondere der Glasfaser, bewirkt wird. Die Phasenlage φr der HF-Schwebungsfrequenz fr ist
Nach dem Mischen mit der Lokaloszillatorfrequenz fl ergibt sich als eine der Mischungsfrequenzen eine Zwischenfrequenz fg genannte Frequenz
Die Lokaloszillatorfrequenz fl wird so eingestellt, dass sich im vorliegenden Fall eine Zwischenfrequenz von fg ~ 10 bis 10000 Kilohertz ergibt. Es sind aber auch höhere Zwischenfrequenzen möglich. Die Zwischenfrequenz fg liegt vorzugsweise oberhalb der maximal zu erwartenden Phasenänderungsgeschwindigkeit dφn/dt, die durch den Lichtleiter 16 eingebracht wird. Die Zwischenfrequenz fg liegt vorzugsweise zudem unterhalb der doppelten Summe der Frequenzen der Modulatorsignal. Es gilt vorzugsweise
Die Zwischenfrequenz fg wird von einem Analog-Digital-Wandler 48 digitalisiert. Der Analog-Digital-Wandler 48 gibt ein Signal ab, das die Zwischenfrequenz fg und die Zwischenfrequenz-Phase φg digital beschreibt. Dieses Signal wird einer Phasendetektionsvorrichtung 40 zugeführt, die im vorliegenden Fall durch einen Lock-in-Detektor 52 gebildet ist. Der Lock-in-Detektor 52 erlaubt die Bestimmung eines Phasenunterschieds e mit
Der Phasenunterschied e ist die Differenz zwischen der tatsächlichen Zwischenfrequenz-Phase φg und einer Soll-Phase φg,soll. Die Soll-Phase ist so gewählt, dass
Der Phasenunterschied e wird einem Regler 54 eines Signalgenerators 50 zugeführt. Der Regler 54 erzeugt ein Regelsignal, das an einen Direkt-Digital-Synthesizer 56 des Signalgenerators 50 abgegeben wird. Der Direkt-Digital-Synthesizer 56 erzeugt die Modulationsfrequenz fc des Modulatorsignals per direkter digitaler Synthese.The phase difference e is fed to a
Günstig ist es, wenn der Direkt-Digital-Synthesizer 56, der Lock-In-Detektor 52, der Hochfrequenz-Lokaloszillator 36 und gegebenenfalls der zweite Modulator 42 phasenstarr von einer gemeinsamen Frequenzquelle 58 abgeleitet sind.It is favorable if the direct
Das Detektionselement 34 kann eine Photodiode aufweisen. Der Hochfrequenz-Lokaloszillator 36 kann alternativ durch einen Teiler gebildet sein, der eine Normalfrequenz f58 einer Frequenzquelle 58 mit einem vorgegebenen festen Teiler teilt. Wiederum alternativ kann der Hochfrequenz-Lokaloszillator 36 als Phasenregelschleife (Phase-Locked-Loop, PLL) mit einem spannungsgesteuerten Oszillator, die die Normalfrequenz f58 der Frequenzquelle 58 als Referenz nutzt, ausgebildet sein.The
Der Überlagerungsempfänger 32 kann auch als Ein-Seitenband-Empfänger mit beiden Quadraturen ausgeführt sein.The
Mittels einer schematisch eingezeichneten Temperaturstabilisierungseinheit 60 können der Strahlteiler 28, das Detektionselement 34 und die Verbindungsstruktur 31 auf einer vorgegebenen Temperatur gehalten werden.The
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Frequenzübertragungsvorrichtungfrequency transmission device
- 1212
- Referenzwelleneingangreference wave input
- 1414
- Modulatormodulator
- 1616
- Lichtleiterlight guide
- 1818
- Nutzausganguseful output
- 1919
- Reflektor reflector
- 2020
- Eingangs-Lichtentrance light
- 2222
- Anschlussstückfitting
- 2424
- Zuleitungs-Lichtleiterfeed light guide
- 2626
- Ableitungs-Lichtleiterderivation light guide
- 2828
- Strahlteiler beam splitter
- 3030
- Rück-LichtTaillight
- 3131
- Verbindungsstrukturconnection structure
- 3232
- Überlagerungsempfängeroverlay receiver
- 3333
- Reflektorelementreflector element
- 3434
- Detektionselementdetection element
- 3636
- Hochfrequenz-LokaloszillatorHigh Frequency Local Oscillator
- 3838
- Mischermixer
- 4040
- Phasendetektionsvorrichtungphase detection device
- 4242
- zweiter Modulatorsecond modulator
- 4444
- Nutz-Lichtuseful light
- 4646
- Filterfilter
- 4848
- Analog-Digital-Wandler Analog to digital converter
- 5050
- Signalgeneratorsignal generator
- 5252
- Lock-in-Detektorlock-in detector
- 5454
- Reglercontroller
- 5656
- Direkt-Digital-SynthesizerDirect digital synthesizer
- 5858
- Frequenzquellefrequency source
- 6060
- Temperaturstabilisierungseinheittemperature stabilization unit
- φaφa
- Eingangs-Phaseinput phase
- φcφc
- Modulatorphasemodulator phase
- φdφd
- zweite Modulator-Phasesecond modulator phase
- φgφg
- Zwischenfrequenz-Phaseintermediate frequency phase
- φg,sollφg,set
- Soll-Phasetarget phase
- φnφn
- Störfrequenz-Phasespurious frequency phase
- φrφr
- Schwebungsfrequenz-Phasebeat frequency phase
- dφn/dtdφn/dt
- Phasenänderungsgeschwindigkeit phase change rate
- ee
- Phasenunterschiedphase difference
- fafa
- optische Eingangs-Frequenzoptical input frequency
- fbfb
- Nutzlichtfrequenzuseful light frequency
- fcFC
- Modulatorfrequenzmodulator frequency
- fdfd
- zweite Modulatorfrequenzsecond modulator frequency
- fgfg
- Zwischenfrequenzintermediate frequency
- flfl
- Lokaloszillatorfrequenzlocal oscillator frequency
- fnfn
- Störfrequenzinterference frequency
- frfr
- HF-SchwebungsfrequenzHF beat frequency
- f58f58
- Normalfrequenznormal frequency
- l16l16
- Länge des Lichtleiterslength of the light guide
- LL
- Lichtausbreitungsrichtungdirection of light propagation
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents cited by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102008062139 B4 [0004]DE 102008062139 B4 [0004]
Claims (14)
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102023111930B3 (en) | 2023-05-08 | 2024-07-25 | Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig Und Berlin | Ion trap chip |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102008062139B4 (en) | 2008-12-16 | 2013-04-25 | Bundesrepublik Deutschland, vertr. durch d. Bundesministerium f. Wirtschaft und Technologie, dieses vertreten durch d. Präsidenten d. Physikalisch-Technischen Bundesanstalt | Method for providing a reference frequency |
-
2021
- 2021-05-07 DE DE102021112017.9A patent/DE102021112017A1/en active Pending
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102008062139B4 (en) | 2008-12-16 | 2013-04-25 | Bundesrepublik Deutschland, vertr. durch d. Bundesministerium f. Wirtschaft und Technologie, dieses vertreten durch d. Präsidenten d. Physikalisch-Technischen Bundesanstalt | Method for providing a reference frequency |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
Anders Rönnholm : Fiber noise cancellation Department of Atomic Physics Quantum information group Lunds UniversitetLund 120614 URL:https://lup.lub.lu.se/student-papers/search/publication/2834772 |
BDix-Matthews, B.P., Schediwy, S.W., Gozzard, D.R. et al. Point-to-point stabilized optical frequency transfer with active optics.Nat Commun 12, 515 (2021)URL: https://doi.org/10.1038/s41467-020-20591-5 Published online 2021 Jan 22; |
Nelson, Darkwah Oppong : Cancelation of optical phase noise induced by an optical fiberTerm Project, in the group of Prof. J. P. Home at the Institute for Quantum Electronics, ETH Zürich08/06/2015URL: https://ethz.ch/content/dam/ethz/special-interest/phys/quantum-electronics/tiqi-dam/documents/semester_theses/semesterthesis-nelson_darkwah_oppong.pdf |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102023111930B3 (en) | 2023-05-08 | 2024-07-25 | Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig Und Berlin | Ion trap chip |
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