Voor de eerste keer, onderzoekers hebben aangetoond dat een stabiele frequentiereferentie betrouwbaar meer dan 300 kilometer kan worden verzonden via een standaard glasvezelnetwerk voor telecommunicatie en kan worden gebruikt om twee radiotelescopen te synchroniseren. Stabiele frequentiereferenties, die worden gebruikt om klokken en instrumenten te kalibreren die ultraprecieze metingen doen, zijn meestal alleen toegankelijk bij faciliteiten die ze genereren met behulp van dure atoomklokken. Dankzij de nieuwe technologie kunnen wetenschappers overal toegang krijgen tot de frequentiestandaard door simpelweg gebruik te maken van het telecommunicatienetwerk.

De mogelijkheid om stabiele frequentiereferenties via het telecommunicatienetwerk te verzenden, kan met name handig zijn voor arrays van radiotelescopen zoals de Square Kilometre Array (SKA), een internationale inspanning om 's werelds grootste radiotelescoop te bouwen met behulp van arrays in Australië en Zuid-Afrika. Wanneer voltooid, SKA zal zwakke radiogolven vanuit de ruimte detecteren met een gevoeligheid die ongeveer 50 keer groter is dan die van de Hubble-telescoop. Individuele radiotelescopen zullen worden gekoppeld om een ​​totaal verzamelgebied van ongeveer 1 miljoen vierkante meter te creëren.

Het koppelen van radiotelescopen in een array vereist dat elke telescoop toegang heeft tot een atoomklok om het precieze tijdstip vast te leggen waarop een signaal wordt gedetecteerd van een object in de ruimte. Door alle telescopen op hetzelfde object te focussen en vervolgens de kleine verschillen te berekenen in de tijd die het signaal nodig heeft om elke telescoop te bereiken, kunnen onderzoekers alle waarnemingen combineren en de locatie van het object en andere kenmerken bepalen. Stabiele uitgezonden referenties kunnen worden gebruikt om de relatieve tijd bij elke telescoop te kalibreren, het elimineren van de noodzaak voor meerdere atoomklokken in een radiotelescooparray.

In optiek , onderzoekers van een consortium van Australische instellingen rapporteren over de succesvolle overdracht van een stabiele frequentiereferentie tussen twee radiotelescopen via een glasvezelverbinding en tonen aan dat de prestatie van de techniek superieur is aan het gebruik van een atoomklok bij elke telescoop. Het consortium omvatte het Australische Academic and Research Network (AARNet), de Australische Nationale Universiteit, de Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO), het Nationaal Meetinstituut, Macquarie University en de Universiteit van Adelaide.

De resultaten laten zien dat de techniek in staat is om signaalfluctuaties in het glasvezelnetwerk te compenseren die worden veroorzaakt door omgevingsfactoren zoals temperatuurveranderingen of trillingen. De demonstratie werd zelfs uitgevoerd via een netwerk dat tegelijkertijd live telecommunicatieverkeer doorstuurde.

Testen met live netwerkverkeer

"Door het experiment uit te voeren op optische vezels die ook normaal verkeer vervoeren, we hebben aangetoond dat het verzenden van de stabiele frequentiestandaard geen invloed heeft op de data of telefoongesprekken op de andere kanalen, " zei Kenneth Baldwin, een lid van het onderzoeksteam van de Australian National University. "Dat is nodig om de medewerking te krijgen van de telecombedrijven die eigenaar zijn van deze glasvezelnetwerken."

belangrijk, de nieuwe techniek vereist geen substantiële aanpassingen aan de rest van het glasvezelnetwerk en is eenvoudig te implementeren. Om de frequentie stabiel te houden tijdens het zenden, de onderzoekers sturen het signaal via het netwerk naar een bestemming en reflecteren het vervolgens terug. Het terugkerende signaal wordt gebruikt om te bepalen of er wijzigingen zijn opgetreden. Na elke rondreis, elke uitgezonden frequentieverschuiving wordt passief afgetrokken om de gemeten veranderingen exact te compenseren.

Voor elke 100 kilometer glasvezel, de heen- en terugreis duurt ongeveer 1 milliseconde. Hoewel het compensatieproces zeer snel verloopt, de tijd aan de ontvangende kant kan tijdens de rondreizen afwijken. Om dit probleem op te lossen, een kwartsoscillator op de afgelegen locatie houdt de tijd stabiel tussen rondreizen.

"De frequentie van de kwartsoscillator zal uiteindelijk ook driften, dus ons unieke proces combineert lokale stabilisatie met de kwartsoscillator voor korte tijdsduren, met de langere - meer dan retourtijd - stabilisatie die wordt geboden door de uitgezonden stabiele frequentiereferentietechniek, "zei Baldwin. "Deze zeer stabiele methode voor het verzenden van de frequentiereferentie maakt een atoomklok mogelijk, die ongeveer tweehonderdduizend dollar kosten, vervangen door een systeem dat slechts enkele tienduizenden dollars kost."

Langeafstandstransmissie demonstreren

Om hun werkwijze te demonstreren, de onderzoekers begonnen met een type atoomklok die bekend staat als een waterstofmaser en zich bevindt bij de CSIRO Australia Telescope Compact Array (ATCA). Ze drukten het radiofrequentiereferentiesignaal van de maser af op een laserstraal die vervolgens door een 155 kilometer lange AARNet-vezel en verschillende versterkingsfasen naar een tweede radiotelescoop reisde, en weer terug. Toen het compensatieproces begon, de referentie werd opgepikt door de radiotelescoop aan de andere kant van de verbinding.

De onderzoekers gebruikten de stabiele frequentiereferentie om beide telescopen te kalibreren, die werden gebruikt om hetzelfde object in de ruimte te onderzoeken. Ze ontdekten dat in plaats van het stabiele frequentiesignaal dat de prestaties van de telescopen beperkt, atmosferische verschillen tussen de twee locaties was de beperkende factor. Om atmosferische interferentie te elimineren en beter te begrijpen hoe de nieuwe methode de telescoopprestaties verbeterde, de onderzoekers gebruikten vervolgens slechts één telescoopantenne bij de ATCA die was uitgerust met twee afzonderlijke ontvangers om metingen te doen. Met deze "gesplitste antenne"-methode kon de ene ontvanger die door de waterstofmaser was gestabiliseerd, worden vergeleken met de andere ontvanger die was gestabiliseerd met behulp van de stabiele frequentiereferentie die werd verzonden op een rondreis van 310 kilometer door de glasvezel.

"Onze experimenten toonden aan dat de uitgezonden frequentiereferentie zeer stabiel was, aanzienlijk stabieler dan de atmosfeer van de aarde, " zei Baldwin. "Onze aanpak om het stabiele frequentiesignaal van één atoomklok exact te repliceren, presteerde minstens zo goed als twee atoomklokken, die kleine verschillen van elkaar kunnen vertonen."

De onderzoekers zeggen dat hun demonstratie aantoont dat de nieuwe methode klaar is voor implementatie door radioastronomen die het gebruik van meerdere atoomklokken in een telescooparray willen vermijden. De methode kan over nog grotere afstanden worden gebruikt door meer versterkers te gebruiken om het signaal te versterken. Hierdoor zouden ook stabiele frequentiereferenties kunnen worden uitgezonden via een nationaal glasvezelnetwerk, waar elke wetenschapper met toegang tot een telecommunicatienetwerk ze zou kunnen gebruiken.

"Toen atoomklokken voor het eerst werden uitgevonden, niemand dacht dat ze timingstandaarden zouden bieden die zouden worden gebruikt voor GPS-navigatie, bijvoorbeeld, " zei Baldwin. "We hopen dat op dezelfde manier, gemakkelijke toegang tot frequentiestandaarden die net zo stabiel zijn als die in een nationaal meetlaboratorium, zal een technologie zijn voor veel toepassingen die nauwkeurige timing en nauwkeurige frequentiemetingen vereisen."