Διανομή συχνοτήτων αναφοράς μέσω εγκατεστημένων δικτύων οπτικών ινών

Abstract

The precision and stability of frequency standards is rapidly improving aiming to boost experiments in fundamental physics and leverage the performance of technologies such as global positioning system, telecommunication networks and radio telescope array synchronization, long baseline interferometry and quantum networking. The possibility of comparing frequency standards produced from distant sources is of special scientific and technological interest. Furthermore, the synchronization of radio telescope antennas and telecommunication networks require the transmission of frequency standards at long distances with great accuracy and stability. The most accurate method to achieve this is the transmission of the standards through optical fibers. Optical fibers are immune to electromagnetic interference and being buried underground are less delicate to environmental perturbations. Nevertheless, the refraction index and consequently the group delay depend on temperature and mechanical stress and phase instability is observed at the receiver during temperature and stress fluctuations. Control loops are implemented to control the transmission imposed phase shifts by redirecting a portion of the received signal back to the transmitter. Amplifiers – regenerators are employed in long distance links to prevent excessive noise accumulation and preserve the signal quality. Moreover, deployed optical networks include fiber connections or splices causing back – reflections which deteriorate the back – propagating signal and impose noise to the phase error signal used for closing the control loop. In the context of this work, an all optical signal regenerator is proposed which not only resonantly amplifies the incoming wavelength but also provides wavelength conversion for the back - propagating signal to distinguish it from the reflections. The regenerator is based on dual mode injection locked laser. The laser operation was simulated and the regenerated signal stability was experimentally verified in a cascade link of two fiber spans. A simple method for doubling the microwave frequency standard was proposed next. The stability of the standard is less affected by phase noise if higher frequency is used. This requires more expensive modulators and photodiodes. If double sideband suppressed carrier modulation is employed, the frequency is doubled at the receiver end without using a wide bandwidth electro-optical modulator. Moreover, the dispersion induced spatial fading is vanished using this modulation format. The improvement in the fractional stability of the received frequency standard was experimentally verified.Following the achievements of the previous method, the feasibility of transferring even higher, mmwave or THz frequencies was investigated. The outcome of this effort was an opto-electronic frequency divider which does not require high bandwidth components, does not impose excessive phase noise and is capable to downscale those high frequencies using fractional frequency division. In this way, any desirable final electrical frequency can be selected, preserving the stability of the higher reference frequency transmitted through the link. The stability and low phase noise characteristics of the lower frequency produced at the receiver was experimentally verified. This divider also provides the possibility of synthesizing high microwave and mmwave frequencies. The synthesized electrical frequencies are tuned with high resolution by properly selecting the division ratio. Unlike other optoelectronic frequency synthesizers, all the required intermediate frequencies are locked to the high stability reference frequency.Another category of frequency standard dissemination schemes focuses on the phase error compensation at the receiver. Those methods are based on the temperature dependence of the fiber dispersion. Employing phase comparison of two copies of the standard which are transmitted at distant wavelengths, the transmission induced phase noise can be estimated and corrected. The problem with this technique is its much lower sensitivity compared to the round trip method. The sensitivity can be greatly improved using optical frequency standards but the vast frequency gap between optical frequencies must be somehow bridged in order to acquire the phase error. So, two solutions have been proposed in this work. In the first one, a three tone reference comb is transmitted. At the receiver, the optical tones are inserted into a phase sensitive amplifier, in which the phase relation between the tones affects the gain of the amplifier and so translates the temperature induced phase drift into output power fluctuations and finally to phase error voltage. The second one uses the same three tones at the transmitter and bridges the frequency gap at the receiver by phase modulating the central tone with high modulation depth. The modulating electrical frequency is produced at the receiver and is not required to be of high stability as its phase noise manifests as common mode in the phase error extraction process. The sensitivity of this method is the same with the previous one and is achieved using much lower optical power. This feature is very desirable in quantum network synchronization.

Η ακρίβεια και ευστάθεια των συχνοτήτων αναφοράς βελτιώνεται με ταχείς ρυθμούς αποσκοπώντας τόσο στην υποβοήθηση θεμελιωδών πειραμάτων φυσικής, όσο και στη βελτίωση των επιδόσεων σύγχρονων τεχνολογικών εφαρμογών όπως είναι το παγκόσμιο σύστημα εντοπισμού θέσης, ο ακριβής συγχρονισμός τηλεπικοινωνιακών δικτύων και ραδιοτηλεσκοπίων, η συμβολομετρία μεγάλων αποστάσεων και η κβαντική δικτύωση. Ιδιαίτερο επιστημονικό και τεχνολογικό ενδιαφέρον παρουσιάζει η δυνατότητα σύγκρισης των προτύπων συχνότητας που παράγονται από απομακρυσμένες πηγές. Επίσης, ο συγχρονισμός κεραιών ραδιοτηλεσκοπίων και τηλεπικοινωνιακών δικτύων απαιτεί τη μετάδοση συχνοτήτων αναφοράς σε μεγάλες αποστάσεις με εξαιρετική ακρίβεια. Η ακριβέστερη μέθοδος μεταφοράς τέτοιων προτύπων είναι η μετάδοση μέσα από δίκτυο οπτικών ινών. Οι οπτικές ίνες είναι ανθεκτικές σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, και επιπλέον τα χαρακτηριστικά τους δεν μεταβάλλονται ιδιαίτερα λόγω μεταβολών στο περιβάλλον τους, καθώς εγκαθίστανται σε αρκετό βάθος. Εμφανίζουν όμως ευαισθησία του δείκτη διάθλασης και επομένως της ταχύτητας διάδοσης στη θερμοκρασία και τις μηχανικές δονήσεις, η οποία προκαλεί μεταβολές στη φάση των μεταδιδόμενων προτύπων, υποβαθμίζοντας έτσι την ευστάθειά τους. Για τη βελτίωση της ευστάθειας υλοποιείται βρόχος ελέγχου της φάσης, επιστρέφοντας πίσω στον πομπό ένα μέρος του σήματος που φτάνει στο δέκτη.Σε ζεύξεις μεγάλου μήκους είναι αναγκαία η ύπαρξη ενισχυτών - αναγεννητών, οι οποίοι προλαμβάνουν την υποβάθμιση του σήματος λόγω απωλειών και υπέρθεσης θορύβου. Επίσης, τα εγκατεστημένα δίκτυα οπτικών ινών περιλαμβάνουν έναν αριθμό συνδέσεων και συγκολλήσεων που προκαλούν ανακλάσεις, οι οποίες υποβαθμίζουν την ποιότητα του σήματος επιστροφής και επιβαρύνουν με θόρυβο το σήμα φασικού σφάλματος που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της φάσης. Στα πλαίσια της διατριβής προτάθηκε ένας αμιγώς οπτικός αναγεννητής, ο οποίος εκτός από συντονιζόμενη στο μήκος κύματος μετάδοσης ενίσχυση, πραγματοποιεί αντιγραφή και μεταλλαγή σε άλλο μήκος κύματος του σήματος επιστροφής, ούτως ώστε να είναι δυνατός ο διαχωρισμός του από τις πιθανές ανακλάσεις. Ο αναγεννητής αυτός βασίζεται στις ιδιότητες διπλής εγκλείδωσης με οπτική έγχυση ενός πολύτροπου laser. Προσομοιώθηκε και υλοποιήθηκε πειραματικά, επιτυγχάνοντας διατήρηση της ευστάθειας του μεταδιδόμενου μικροκυματικού προτύπου σε δύο διαδοχικές ζεύξεις οπτικών ινών.Στη συνέχεια προτάθηκε μια απλή μέθοδος διπλασιασμού της συχνότητας του προτύπου. Οι επιπτώσεις του φασικού θορύβου υποβαθμίζονται, όταν χρησιμοποιείται υψηλότερη συχνότητα προτύπου. Αυτό όμως απαιτεί πιο ακριβούς ηλεκτροπτικούς διαμορφωτές και φωτοδιόδους. Στην προτεινόμενη μέθοδο χρησιμοποιήθηκε ηλεκτροπτική διαμόρφωση πλάτους διπλής πλευρικής με κατασταλμένο φέρον. Έτσι, η συχνότητα που αναδεικνύεται στο δέκτη είναι διπλάσια της αρχικής, χωρίς να είναι αναγκαία η χρήση διαμορφωτή διπλάσιου εύρους ζώνης. Επίσης, καταργούνται οι χωρικές διαλείψεις που οφείλονται στη χρωματική διασπορά. Η βελτίωση της σχετικής συχνοτικής ευστάθειας του συστήματος επιβεβαιώθηκε πειραματικά.Ως λογικό επακόλουθο της προηγούμενης μεθόδου, εξετάστηκε αν θα ήταν εφικτή η μετάδοση χιλιοστομετρικών ή και στην περιοχή των THz συχνοτήτων αναφοράς. Το αποτέλεσμα αυτής της προσπάθειας ήταν ένας οπτικο-ηλεκτρονικός διαιρέτης συχνοτήτων που δεν απαιτεί μεγάλου εύρους ζώνης εξαρτήματα, δεν εισάγει επιπλέον φασικό θόρυβο και είναι ικανός να υποβιβάσει τις υψηλές αυτές συχνότητες, διαιρώντας τες με κλασματικό λόγο. Με τον τρόπο αυτό παρέχεται ευελιξία στην επιλογή της τελικής συχνότητας του λαμβανόμενου προτύπου, η οποία διατηρεί την ευστάθεια της υψηλής συχνότητας αναφοράς που μεταδόθηκε. Η ευστάθεια και ο χαμηλός φασικός θόρυβος της τοπικά στο δέκτη παραγόμενης συχνότητας πιστοποιήθηκε με πειραματικές μετρήσεις. Ο οπτικο-ηλεκτρονικός κλασματικός διαιρέτης παρέχει επίσης τη δυνατότητα σύνθεσης μικροκυματικών και χιλιοστομετρικών συχνοτήτων. Οι συχνότητες των παραγόμενων ηλεκτρικών συχνοτήτων ρυθμίζονται με εξαιρετικά μικρό βήμα σύνθεσης από τον κλασματικό λόγο διαίρεσης. Σε αντίθεση με άλλες τεχνικές οπτικο-ηλεκτρονικής σύνθεσης συχνοτήτων, όλες οι ενδιάμεσες συχνότητες που απαιτούνται για τη λειτουργία του συνθέτη είναι κλειδωμένες στην συχνοτική απόσταση των τόνων αναφοράς.Μια άλλη κατηγορία μεθόδων επικεντρώνονται στη διόρθωση του φασικού σφάλματος της μετάδοσης αποκλειστικά στο δέκτη. Τέτοια συστήματα μονόδρομης μετάδοσης, βασίζονται στην εξάρτηση της διασποράς των οπτικών ινών από τη θερμοκρασία. Η φασική σύγκριση δύο αντιτύπων του προτύπου σε απομακρυσμένα μήκη κύματος αναδεικνύει το σήμα σφάλματος, το οποίο χρησιμοποιείται για να σταθεροποιήσει το βρόχο. Το πρόβλημα με την τεχνική αυτή είναι η χαμηλή ευαισθησία της, η οποία βελτιώνεται δραματικά με την χρήση οπτικών συχνοτικών προτύπων. Για να εξαχθεί το φασικό σφάλμα, θα πρέπει να γεφυρωθεί το συχνοτικό χάσμα μεταξύ των οπτικών φερόντων και για το σκοπό αυτό στα πλαίσια της διατριβής προτάθηκαν δύο λύσεις. Η πρώτη μεταδίδει μια οπτική κτένα αποτελούμενη από τρεις απομακρυσμένους τόνους. Στο δέκτη, οι τόνοι εισέρχονται σε οπτικό ενισχυτή ευαίσθητο στη φάση, όπου η φασική σχέση μεταξύ των τόνων επιδρά στο κέρδος του παραμετρικού αυτού ενισχυτή ο οποίος μεταφράζει τη σχετική φασική μεταβολή που επιβάλλεται κατά τη μετάδοση λόγω μεταβολής της θερμοκρασίας της ίνας σε μεταβολή της ισχύος των δύο ακραίων τόνων, αναδεικνύοντας έτσι το φασικό σφάλμα. Η δεύτερη μέθοδος εκπέμπει τους ίδιους τρεις συχνοτικά ισαπέχοντες τόνους και γεφυρώνει το χάσμα στο δέκτη διαμορφώνοντας τον μεσαίο τόνο με διαμόρφωση φάσης υψηλού βάθους. Η διαμορφούσα συχνότητα παράγεται τοπικά στο δέκτη και δεν χρειάζεται να είναι υψηλής ευστάθειας καθώς ο φασικός της θόρυβος εμφανίζεται ως θόρυβος κοινού τρόπου στη φασική σύγκριση. Η ευαισθησία του προτεινόμενου συστήματος είναι ταυτόσημη με αυτή του ευαίσθητου στη φάση οπτικού ενισχυτή, χρησιμοποιώντας όμως κατά πολύ χαμηλότερη οπτική ισχύ. Η ιδιότητα αυτή είναι ιδιαίτερα επιθυμητή σε εφαρμογές συγχρονισμού κβαντικών οπτικών δικτύων.