För första gången, forskare har visat att en stabil frekvensreferens på ett tillförlitligt sätt kan överföras mer än 300 kilometer över ett vanligt fiberoptiskt telekommunikationsnät och användas för att synkronisera två radioteleskop. Stabila frekvensreferenser, som används för att kalibrera klockor och instrument som gör ultraprecisa mätningar, är vanligtvis endast tillgängliga på anläggningar som genererar dem med dyra atomur. Den nya tekniken kan göra det möjligt för forskare var som helst att få tillgång till frekvensstandarden genom att helt enkelt ansluta sig till telekommunikationsnätet.

Möjligheten att skicka stabila frekvensreferenser över telekommunikationsnätet kan vara särskilt användbar för radioteleskoparrayer som Square Kilometer Array (SKA), ett internationellt försök att bygga världens största radioteleskop med hjälp av matriser i Australien och Sydafrika. När den är klar, SKA kommer att upptäcka svaga radiovågor från djupt rymd med en känslighet som är cirka 50 gånger större än Hubble -teleskopets. Individuella radioteleskop kommer att länkas för att skapa en total insamlingsyta på cirka 1 miljon kvadratmeter.

Att länka radioteleskop i en array kräver att varje teleskop har tillgång till en atomklocka för att registrera den exakta tiden vid vilken en signal detekteras från ett objekt i rymden. Genom att fokusera alla teleskop på samma objekt och sedan beräkna de små skillnaderna i tiden för signalen att nå varje teleskop kan forskare kombinera alla observationer och identifiera objektets plats och andra egenskaper. Stabila överförda referenser kan användas för att kalibrera den relativa tiden vid varje teleskop, vilket eliminerar behovet av flera atomur i ett radioteleskoparray.

I Optica , forskare från ett konsortium av australiensiska institutioner rapporterar om framgångsrik överföring av en stabil frekvensreferens mellan två radioteleskop via en fiberlänk och visar att teknikens prestanda är överlägsen användningen av en atomur vid varje teleskop. I konsortiet ingick Australiens Academic and Research Network (AARNet), Australian National University, Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO), det nationella mätinstitutet, Macquarie University och University of Adelaide.

Resultaten visar att tekniken kan kompensera för signalfluktuationer i det fiberoptiska nätet som införs av miljöfaktorer såsom temperaturförändringar eller vibrationer. Demonstrationen genomfördes till och med via ett nätverk som samtidigt sände levande teletrafik.

Testar med live -nätverkstrafik

"Genom att köra experimentet på optiska fibrer som också bär normal trafik, vi visade att överföring av den stabila frekvensstandarden inte påverkar data eller telefonsamtal på andra kanaler, "sade Kenneth Baldwin, medlem i forskargruppen från Australian National University. "Detta är nödvändigt för att få samarbete mellan de telekommunikationsföretag som äger dessa fibernät."

Viktigt, den nya tekniken kräver inga väsentliga förändringar i resten av fiberoptiskt nätverk och är lätt att implementera. För att hålla frekvensen stabil under överföringen, forskarna skickar signalen genom nätverket till en destination och reflekterar den sedan tillbaka. Retursignalen används för att avgöra om några ändringar inträffade. Efter varje rundresa, varje sänd frekvensförskjutning subtraheras passivt för att exakt kompensera för de uppmätta förändringarna.

För varje 100 kilometer fiber, tur och retur tar cirka 1 millisekund. Även om kompensationsprocessen sker väldigt snabbt, tiden i den mottagande änden kan glida under rundresorna. För att lösa det här problemet, en kvartsoscillator på avlägsen plats håller tiden stabil mellan rundturer.

"Kvartsoscillatorns frekvens kommer också så småningom att driva, så vår unika process kombinerar lokal stabilisering med kvartsoscillatorn för korta tidslängder, med den längre - större än rundturstiden - stabilisering som tillhandahålls av den överförda stabila frekvensreferenstekniken, "sa Baldwin." Denna mycket stabila metod för att överföra frekvensreferensen tillåter en atomur, som kostar omkring tvåhundratusen dollar, att ersättas med ett system som bara kostar några tiotusentals dollar. "

Demonstrerar långdistansöverföring

För att demonstrera deras metod, forskarna började med en typ av atomur som kallas en vätgasmaser som ligger vid CSIRO Australia Telescope Compact Array (ATCA). De präglade radiofrekvensreferenssignalen från maser på en laserstråle som sedan färdades genom en 155 kilometer lång AARNet-fiber och flera förstärkningssteg till ett andra radioteleskop, och tillbaka igen. När kompensationsprocessen började referensen togs upp av radioteleskopet i andra änden av anslutningen.

Forskarna använde den stabila frekvensreferensen för att kalibrera båda teleskopen, som användes för att undersöka samma objekt i rymden. De fann att snarare än den stabila frekvenssignalen som begränsar teleskopens prestanda, atmosfäriska skillnader mellan de två platserna var den begränsande faktorn. För att eliminera atmosfärstörningar och bättre förstå hur den nya metoden förbättrade teleskopets prestanda, forskarna använde sedan bara en teleskopantenn vid ATCA utrustad med två separata mottagare för att ta mätningar. Denna "delade antenn" -metod gjorde det möjligt att jämföra en mottagare stabiliserad av vätgasmaser med den andra mottagaren stabiliserad med hjälp av den stabila frekvensreferensen som skickades på en 310 kilometer rundtur genom fibern.

"Våra experiment visade att den överförda frekvensreferensen var mycket stabil, betydligt stabilare än jordens atmosfär, "sa Baldwin." Vår strategi för att exakt replikera den stabila frekvenssignalen från en atomklocka utförde minst lika bra som två atomur, som kan uppvisa små skillnader från varandra. "

Forskarna säger att deras demonstration visar att den nya metoden är redo att implementeras av radioastronomer som vill undvika att använda flera atomur över en teleskopgrupp. Metoden kan användas över ännu längre avstånd genom att använda fler förstärkare för att öka signalen. Detta skulle också göra det möjligt att sända stabila frekvensreferenser över ett nationellt fiberoptiskt nätverk, där alla forskare med tillgång till ett telenät kan använda dem.

"När atomur först uppfanns, ingen trodde att de skulle tillhandahålla tidsstandarder som skulle användas för GPS -navigering, till exempel, "sa Baldwin." Vi hoppas att på samma sätt, enkel åtkomst till frekvensstandarder som är lika stabila som de som finns i ett nationellt mätlaboratorium kommer att vara en möjliggörande teknik för många applikationer som kräver exakt timing och exakta frekvensmätningar. "