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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Atomfrequenz-Standard-Laserpulsoszillator, der
eine ultrakurze Impulsfolge mit einer genauen Wiederholfrequenz
erzeugen kann, die auf einem höheren
Niveau stabilisiert wird, wie die eines Zeitstandards, den man von
einem konventionellen atomaren Oszillator gewinnt.
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3 zeigt
in einer graphischen Darstellung den Aufbau eines Laserpulsoszillators,
der in der Japanischen offengelegten Patentschrift No. 8-18139 (1996)
beschrieben ist.
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In 3 bezeichnen
die Bezugszeichen: 1 eine mit Seltenen Erdmetall-Ionen
dotierte optische Glasfaser, 2 eine optische Pumpquelle
zur Erzeugung von Pumplicht für
die mit Seltenen Erdmetall-Ionen dotierte optische Glasfaser, 3 einen
optischen Koppler zur Kopplung des Pumplichts zur mit Seltenen Erdmetall-Ionen
dotierte optische Glasfaser, 4 einen optischer Strahlteiler,
um eine Laserausgabe zu gewinnen, 5 ein optischer Isolator,
um die Lichtausbreitung auf eine Richtung zu begrenzen, 6 ein
optischer Modulator, und 7 optisches Filter. 1, 3, 4, 5, 6 und 7 werden
in einer Ringanordnung, um einen Ringlaseroszillator herzustellen,
gekoppelt. Die Laserausgabeteilung durch den optischen Strahlteiler 4 wird
erneut durch einen optischen Strahlteiler 8 in einen optische
Ausgabeanschluß und
den Treiber des optischen Modulators 6 unterteilt. Der
Treiber des optischer Modulators 6 besteht aus einer Taktgewinnungsschaltung 9,
einem Phasenschieber 10 und einem elektrischen Mikrowellenverstärker 11.
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Der
Betriebsmechanismus dieses Laserpulsoszillators, der über eine
optische Pulsfolge mit einer hohen Wiederholfrequenz verfügt, ist
folgende: Wird die Pumplichtabgabe von der optischen Pumpquelle 2 in
die Seltenen Erdmetall-Ionen dotierte optische Glasfaser 1 über den
optischen Koppler 3 eingekoppelt, tritt eine kontinuierlich
abgestrahlte Welle in der Ausbreitungsrichtung des optischen Oszillators 6 durch
die Bandbreite des optischen Filters 7 auf. Die Laserausgabe
wird durch den optischen Strahlteiler 4 erhalten, und ein
Teil davon wird durch den optischen Strahlteiler 8 an der
Taktgewinnungsschaltung 9, die aus einem Photodetektor,
einem elektrischen Schmalbandfilter und einem elektrischen Verstärker besteht,
eingegeben. Auf diese Weise wird ein sinusförmiges Taktsignal von dieser Taktgewinnungsschaltung 9 erhalten,
und die Phasenzeiteinteilung des Taktsignals wird durch den Phasenschieber 10 justiert.
Danach wird das Taktsignal vom elektrischen Mikrowellenverstärker 11 verstärkt und
dann dem optischen Modulator 6 eingegeben. Als Ergebnis
wird das Licht im Laserresonator bei einer Frequenz intensitätsmoduliert,
die mit dem Taktsignal synchronisiert ist.
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Im
allgemeinen wird die Amplitudenmodulation einer Grundfrequenz fo
= c/(nL), bestimmt durch L, dem Laserresonator zugeführt, wobei
L die Resonatorlänge,
n die Brechzahl des optischen Filters und c die Lichtgeschwindigkeit
ist, und es wird Modenkopplung bei einer Grundwiederholfrequenz
(ein optischer Einzelimpuls im Resonator) erzielt. Wird eine Modulationsfrequenz
f auf ein ganzzahliges Vielfaches von fo eingestellt, so daß f = qfo
= qc/(nL), wobei q die ganze Zahl ist, kann harmonische Modenkopplungsschwingung
bei einer Frequenz, die das q-fache der Grundfrequenz ist, erzielt
werden. Das heißt, es
werden q optische Impulse gleichen Abstands im Resonator gleichzeitig
erzeugt, wobei eine optische Impulsfolge mit einer Wiederholfrequenz
von qfo erzeugt wird.
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Betrachtet
wird ein Fall, bei dem in 3 eine Taktgewinnungsschaltung 9 bei
10 GHz verwendet wird. Da ein Taktsignal in der Nähe von 10
GHz, das nicht mit einem ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz
fo übereinstimmt,
keine stabile optische Impulsfolge erzeugen kann, verschwindet es möglicherweise.
Wenn hingegen das Taktsignal mit den ganzzahligen Vielfachen der
Grundfrequenz fo übereinstimmt,
werden die Modulationsfrequenz und die Wiederholfrequenz des optischen
Impulses vollständig
synchronisiert, und daher wird stabile Impulsschwingung allmählich verbessert.
Wird dieser Vorgang wiederholt, verbleibt nur das Taktsignal mit
dem ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz, das anfänglich rauschbehaftet
war. Das heißt,
der optische Modulator 6 wird ausschließlich von einem rein sinusförmigen Taktsignal
mit störungsfreien
longitudinalen Moden angesteuert, und es wird eine stabile 10 GHz harmonische
Modenkopplung erzielt. Der bekannte Stand der Technik wird als harmonisch
und modengegengekoppelt bezeichnet.
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Nach
Stand der Technik ändert
der harmonische und modengegengekoppelte Laserpulsoszillator, wenn
die Resonatorlänge
aufgrund einer Temperaturänderung
im Laserresonator zeitlich schwankt, die Grundfrequenz fo in Abhängigkeit
der Zeit (obige Patentveröffentlichung).
Da die Modulationsfrequenz f, die dem optischer Modulator zugeführt wird,
automatisch durch die Änderung
bei der Resonatorlänge gesteuert
wird, schwankt die Wiederholfrequenz der erzeugten optischen Pulsfolge,
die der Änderung
der Resonatorlänge
folgt. Es ändert
sich bei L = 200 m und f = 10 GHz beispielsweise bei einer Temperaturänderung
im Resonator von 0,01 °C
die Resonatorlänge
L um 20 μm
und die Wiederholfrequenz um 1 kHz. Jedoch der Jitter und die hochkonstanten
Eigenschaften des harmonischen und modengegengekoppelten Laserpulsoszillators
wurden sehr genau untersucht, und es ist bekannt, daß, obgleich
ein geringer Frequenzdrift vorliegt, der Hochfrequenzjitter weniger
schwerwiegend ist als der des gewöhnlichen elektrischen Synthesizers,
und bei einer Wiederholfrequenz von 10 GHz nur 80 fs beträgt. Hingegen beträgt der Jitter
eines gewöhnlichen
elektrischen Synthesizers etwa 200 fs bis 400 fs.
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Zur
Stabilisierung der Wiederholfrequenz des harmonischen und modengegengekoppelten
Laserpulsoszillators wurde ein Phasenregelkreisverfahren vorgeschlagen,
bei dem die Wiederholfrequenz des Lasers durch Synchronisierung
mit einem externen Taktsignal gesteuert wird (Japanische Patentoffenlegungsschrift
No. 10-74999 (1998)).
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4 zeigt
eine graphische Darstellung der Anordnung eines Laserpulsoszillators
nach bekanntem Stand der Technik, der in der Japanische Patentoffenlegungsschrift
No. 10-74999 (1998) beschrieben wurde. Zusätzlich zu den Bauteilen des
Laserpulsoszillators von 3 kommen folgende Bauteile hinzu:
ein Synthesizer (ein üblicher
Signalgenerator) 12, ein Phasenschieber 13, ein
Phasenvergleicher 14, ein elektrisches Filter 15,
eine negative Gegenkopplungsschaltung 16, ein elektrischer
Verstärker 17 und
ein piezoelektrischer Wandler 18 (PZT, Piezoelectric Transducer).
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In 4 wird
die Phasendifferenz zwischen einem externen, von einem Synthesizer 12 erzeugten
Signal und dem Taktsignal eines Laserpulsoszillators unter einer
eigenerregten Bedingung (Ausgabe der Taktgewinnungsschaltung 9)
in ein Spannungsfehlersignal durch den Phasenkomparator 14,
der aus einem Ringmischer, besteht, umgesetzt. Dieses Fehlersignal
ist über
das elektrische Filter 15, die negative Gegenkopplungsschaltung 16 und
den elektrischen Verstärker 17 mit
dem piezoelektrischer Wandler 18 im Resonator gegengekoppelt.
Dieser Vorgang steuert die Resonatorlänge automatisch, wodurch die
Wiederholfrequenz des Laserpulsoszillators mit dem externen Signal
synchronisiert wird, und die Wiederholfrequenz wird mit der Oszillatorfrequenz
des Synthesizers 12 stabilisiert.
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Jedoch
ist die Stabilität
der Wiederholfrequenz des in 4 gezeigten
Laserpulsoszillators durch die Stabilität des extern zugeführten Taktsignals
begrenzt, das heißt,
durch die Stabilität
des Synthesizers. Eine optische Impulsfolge mit einer ultrastabilen
Wiederholfrequenz, die als Zeitstandard verwendet werden kann, wurde
bisher noch nicht erhalten. Es ist jedoch wichtig anzumerken, daß die Hochfrequenzjittereigneigenschaft
des in 4 gezeigten Laserpulsoszillators der des Synthesizers überlegen
ist. Wir verwenden diese hervorragende Eigenschaft bei unserer Erfindung.
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Neben
dem Laserpulsoszillator wurde schon ein atomarer Oszillator vorgeschlagen,
bei dem die Oszillatorfrequenz mit einer Resonanzfrequenz eines Atoms
(z.B. Cäsium
(Cs) oder Rubidium; Referenz Yoshimura, Koga, Oura: "Frequency and Time/Fundamentals
of Atomic Clock/Mechanism of Atomic Time", Society of Elektronic Information
Communications).
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5 zeigt
in einer graphischen Darstellung die Anordnung eines konventionellen
atomaren Cäsium-Oszillators.
In 5 bezeichnen die Bezugszeichen: 21 Quarzoszillator, 22 Phasenmodulator, 23 Oszillator
für den
Phasenmodulator, 24 Frequenz-Synthesizer/Multiplizierer, 25 atomare
Cäsium-Strahlröhre, 26 elektrischer
Verstärker, 27 Phasendiskriminator
zur phasenabhängigen
Erkennung einer Abweichung von der Resonanzfrequenz des Cäsium-Atoms
und 16 eine negative Gegenkopplungsschaltung. Der Oszillator 21,
der das Grundelement der atomaren Schwingung ist, enthält einen Quarzoszillator,
und dessen Schwingungsfrequenz beträgt typisch 5 MHz. Sein Ausgangssignal
wird in den Phasenmodulator 22, um phasenmoduliert zu sein,
eingekoppelt und darüber
hinaus mit dem abgegebenen Wert des Synthesizer/Multiplizierers 24 bis zu
einer Resonanzfrequenz (in Abhängigkeit
des verwendeten Atoms) bei einigen Zehnfachen Gigahertz multipliziert.
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Die
atomare Cäsium-Strahlröhre 25 besteht aus
einem Cäsium
Strahlstrom, der sich in einem Mikrowellenhohlraumresonator befindet,
bei dem das Ausgabesignal (Mikrowelle) des Frequenz-Synthesizer/Multiplizierers 24 mit
der Röhre 25 gekoppelt
ist, um Resonanz zu erfahren. Um in diesem Fall eine Frequenzabweichung
von der Cäsium-Resonanzlinie zu
erfassen, wird eine Resonanzlinie, genannt Ramsey-Spektrallinie,
verwendet. Die Ramsey-Spektrallinie ist eine Erscheinung bei der,
wenn zwei Cäsium-Strahlen
zweimal mit der Mikrowelle bei unterschiedlichen Positionen wechselwirken,
eine Resonanzlinie mit einem sehr engen Band bei einer Frequenz ν0 das
die Mittenfrequenz eines Cäsium-Atoms
ist, erhalten werden kann. Dies wird in 6 gezeigt.
Da die Mittenfrequenz ν0 der Ramsey-Spektrallinie eine scharfe konvexe Kurve
aufweist, kann eine Frequenzabweichung auf einfache Weise durch
einen Phasendiskriminator 27 phasenabhängig erkannt werden, und das
Fehlersignal wird mit dem Quarzoszillator 21 über die
negative Gegenkopplungsschaltung 16 gegengekoppelt, und
derart abgestimmt, daß die
Cäsium-Mittenfrequenz
und die multiplizierte Mikrowellenfrequenz übereinstimmen.
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Hier
wird eine phasen- oder frequenzmodulierte Mikrowelle mit einem Betrag
fm der Cäsium-Röhre zugeführt, und
die Frequenzabweichung von der Mittenfrequenz ν0 (die
Cäsium-Ramsey-Spektrallinie) wird
phasenerfaßt.
Die Geschwindigkeit der Frequenzmodulation beträgt einige Hundert Herz. Dieser
Zustand wird in den 7A und 7B gezeigt.
In 7A wird die Mikrowellenfrequenz, die die Ausgabesignale
mit positiven und mit negativen Phasen zeigt, die sich oberhalb
und unterhalb der Mittenfrequenz ν0 befinden, auf der X-Achse abgebildet. Das
heißt,
Die Abweichung von der Resonanzlinie wird in ein Intensitätssignal
umgesetzt, und das Ausgabesignal der atomare Strahlröhre 25 wird
in ein niederfrequentes elektrisches Signal umgesetzt, das bei der
Frequenz fm intensitätsmoduliert ist.
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Werden
dieses Signal und das Ausgabesignal des Oszillators für den Phasenmodulator 23 in den
Phasendiskriminator 27 zum Phasenvergleich eingegeben,
wird, wie in 7B gezeigt, ein Fehlersignal
erhalten. Das heißt,
in Abhängigkeit
davon, ob die Mikrowellenfrequenz, bezogen auf die Mittenfrequenz ν0 der
Cäsium-Ramsey-Spektrallinie,
kann ein positives oder ein negatives Spannungssignal erhalten werden.
Dieses Signal wird mit dem Quarzoszillator 21 gegengekoppelt,
wobei die Schwingungsfrequenz des Quarzoszillators 21 stabilisiert
wird. Die ist das Arbeitsprinzip des atomaren Oszillators.
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Es
ist bekannt, daß im
atomaren Cäsium-Oszillator
ein 5-MHz-Signal
vom stabilisierten Quarzoszillator frequenzgeteilt wird, und auf
1 Hz nach unten umgesetzt wird, und es wird als der Zeitstandard
von 1 Sekunde angenommen.
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Bei
dem in 5 gezeigten atomaren Oszillator ist es erforderlich,
eine Mikrowelle zu erzeugen, die in die atomare Strahlröhre 25 unter
Verwendung des Frequenz-Synthesizer/Multiplizierers 24 eingekoppelt
wird. Dies daher, weil der Quarzoszillator 21 im Bereich
von mehreren Gigahertz zu schwingen vermag. Einen konventionellen
elektrischen Synthesizervorgang bei einigen Gigahertz bis zu einigen Zehnfachen
Gigahertz verwendet eine Technik, bei der die vom Quarzoszillator
erzeugte Grundfrequenz multipliziert wird. Dieser Entwurf jedoch
befindet sich unterhalb der Hochfrequenz-Jitter-Eigenschaften aufgrund des Multiplikationsverfahrens
durch den Frequenz-Synthesizer/Multiplizierer 24. Die hohe Frequenzinstabilität in Verbindung
mit dem Quarzoszillator selbst und die Jitter-Eigenschaft bestimmen die
Qualität
des atomaren Oszillators. Das heißt, bei dem in 5 gezeigten
atomaren Oszillator kann niederfrequente Schwankung vollständig beseitigt werden,
indem Abweichungen von der Cäsium-Resonanzlinie erkannt
werden, jedoch traten Probleme dahingehend auf, daß andere
hochfrequente Spannungsbauteile so, wie sie sind, ausgegeben werden.
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Wie
im vorherigen Abschnitt beschrieben, waren die hochfrequenten Jitter-Eigenschaften
der Wiederholfreguenz des harmonischen und modengegengekoppelten
Laserpulsoszillators weit besser als die Stabilität des Synthesizers.
Eine solch hochstabile Schwingungsschaltung unter Verwendung dieses
Entwurfs wurde bisher noch nicht vorgeschlagen. Jedoch ist die Langzeitstabilität (Niederfrequenzdrift)
dieses Lasers durch die Stabilität
des Synthesizers, der noch unzureichend ist, begrenzt. Obwohl im
Gegensatz hierzu der atomare Oszillator sehr gute driftarme Eigenschaften
hatte, gibt es keinen wirklichen Weg, darüber hinaus die Hochfrequenz-Jitter-Eigenschaften
zu unterdrücken.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Atomfrequenz-Standard-Laserpulsoszillator bereitzustellen,
der in der Lage ist, einen ultrastabilen Mikrowellenausgang mit
reduziertem Jitter bereitzustellen, der besser als ein atomarer
Oszillator nach bekanntem Stands der Technik ist, und der eine ultrakurze
optische Impulsfolge mit einer Wiederholfrequenz erzeugt, die auf
dem gleichen Niveau wie der Zeitstandard stabilisiert ist.
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Die
Erfindung wird in Patentanspruch 1 definiert. Verschieden Ausführungsbeispiele
werden in den anhängenden
Patentansprüchen
definiert.
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Die
vorliegenden Erfindung beinhaltet einen Atomfrequenz-Standard-Laserpulsoszillator,
bei dem die Wiederholfrequenz eines harmonischen und modengegengekoppelten
Laserpulsoszillators, mit sehr geringem Jitter bei hoher Frequenz,
unmittelbar mit der Resonanzfrequenz verschiedener Atome synchronisiert
ist.
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Besonders
ein selbsterregender modengegengekoppelter Laserpulsoszillator,
bei dem das Taktsignal eines ganzzahligen Vielfachen des longitudinalen
Modus des Laserresonators gewonnen wird und auf einen optischen
Modulator, der in einem Laserresonator installiert ist, angewendet
wird. Der Oszillator enthält
eine Frequenzdifferenzerfassungsvorrichtung zum Erfassen der Frequenzdifferenz
zwischen der Taktsignalfrequenz (Wiederholfrequenz des optischen
Impulses) und einer vorbestimmtem atomaren Resonanzfrequenz eine
Resonatorlängenabstimmvorrichtung
zur Änderung
der Länge
des Laserresonators, wodurch die Taktsignalfrequenz (Wiederholfrequenz
des optischen Impulses) und die vorbestimmte atomare Resonanzfrequenz übereinstimmen,
und eine Vorrichtung zur negativen Gegenführung einer Fehlersignalausgabe
von der Frequenzdifferenzerfassungsvorrichtung zur Resonatorlängenabstimmvorrichtung,
um eine ultrakurze optische Impulsfolge (optische Ausgabe) einer
Wiederholfrequenz die bei einer vorbestimmten atomaren Resonanzfrequenz
stabilisiert ist, und einem Taktsignal (Mikrowellenausgabe) zu erzeugen.
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Daher
kann bei Verwendung eines harmonischen und modengegengekoppelten
Laserpulsoszillators als atomarer Oszillator, anstatt des bekannten Quarzoszillators,
eine ultrastabile Mikrowellenausgabe mit weniger Jitter als bei
dem entsprechenden atomaren Oszillator nach bekanntem Stand der
Technik erhalten werden. Wenn der harmonische und modengegengekoppelte
Laserpulsoszillator darüber
hinaus als Laserpulsoszillator verwendet wird, kann eine ultrakurze
optische Impulsfolge mit einer Wiederholfrequenz erzeugt werden,
der auf dem gleichen Niveau wie ein Zeitstandard stabilisiert ist.
Beim Atomfrequenznormal-Laserpulsoszillator der vorliegenden Erfindung
kann durch Synchronisieren der Wiederholfrequenz eines jitterarmen
modengegengekoppelten Laserpulsoszillator mit einer Resonanz, die
der Resonanz eines Atoms entspricht, eine ultrastabile Mikrowellenausgabe
(Taktsignal) mit weniger Jitter als bei dem dem technischen Stand
entsprechenden atomaren Oszillator erhalten werden, und eine ultrakurze
optische Impulsfolge kann mit einer Wiederholfrequenz erzeugt werden,
die auf dem gleichen Niveau wie ein Zeitstandard stabilisiert werden.
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Solch
eine ultrastabile Signalquelle kann beispielsweise als Zeitstandard,
für Präzisionsmessung von
Krusten- und Gezeitenbewegung, der Synchronisation von Kommunikationsnetzwerken,
der hochgenauen Phaseneinstellung einer Phasengruppenantenne eines
Radioteleskops, der Erzeugung einer ultrahohen Frequenz im Terrahertzbereich
durch Verwendung eines Schwebungssignals innerhalb der Longitudinalmoden
des Lasers und als eine Taktsignalquelle für die Satellitenkommunikation
verwendet werden. Es ist auch möglich
eine neue Frequenzkette von einer Mikrowelle zu einer optischen
welle zu schaffen. Da drüber
hinaus eine Lichtquelle mit einer ultrastabilen Wiederholfrequenz
erhalten werden kann, kann der Oszillator bei der Lichtquelle eines
ultraschnellen optischen Kommunikationssystems und für weitere
Arten ultraschneller optischer Signalverarbeitungssysteme verwendet
werden.
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Die
obigen und weitere Aufgaben, Effekte, Eigenschaften und Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung verdeutlicht.
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1 zeigt
in einem Blockdiagramm ein Ausführungsbeispiel
eines Atomfrequenz-Standard-Laserpulsoszillators
entsprechend der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt
ein Diagramm, bei dem die Schwankung der Schwingungsfrequenz des
atomaren Oszillators nach bekanntem Stand der Technik mit dem Atomfrequenz-Standard-Laserpulsoszillator entsprechend
der vorliegenden Erfindung verglichen wird;
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3 zeigt
in einem Blockdiagramm den Aufbau des Laserpulsoszillators nach
bekanntem Stand der Technik, beschrieben in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift
No. 8-18139 (1996);
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4 zeigt
in einem Blockdiagramm den Aufbau des Laserpulsoszillators nach
bekanntem Stand der Technik, beschrieben in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift
No. 10-74999 (1998);
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5 zeigt
in einem Blockdiagramm die Anordnung des atomaren Cäsium-Oszillators
nach bekanntem Stand der Technik;
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6 zeigt
in einem Blockdiagramm die in der phasenabhängigen Erfassung eines atomaren Cäsium-Oszillators
verwendete Ramsey-Spektrallinie;
und
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Die 7A und 7B zeigen
Diagramme, die das Wirkungsprinzip einer phasenabhängigen Erfassung
bei einem atomaren Oszillator erläutern.
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1 zeigt
ein Diagramm als Beispiel eines Atomfrequenz-Standard-Laserpulsoszillators entsprechend
der vorliegenden Erfindung. In 1 haben
eine mit Seltene Erdmetalle-Ionen dotierte optische Glasfaser 1,
eine optische Pumpquelle 2, ein optischer Koppler 3,
ein optischer Strahlteiler 4, ein optischer Isolator 5,
ein optischer Modulator 6, ein optisches Filter 7,
ein optischer Strahlteiler 8, eine Taktgewinnungsschaltung 9,
ein Phasenschieber 10 und ein elektrischer Mikrowellenverstärker 11 den gleichen
Aufbau wie der in den 3 und 4 gezeigte
selbsterregende modengegengekoppelte Laserpulsoszillator nach bekanntem
Stand der Technik. Darüber
hinaus ist in den Laserresonator ein piezoelektrischer Wandler 18 mit
gleichem Aufbau, wie in 4 gezeigt, als eine Resonatorlängenabstimmvorrichtung
zur Veränderung
der Resonatorlänge
eingebaut.
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Die
vorliegenden Erfindung zeichnet sich dahingehend aus, daß ein modengegengekoppelter
Laserpulsoszillator einschließlich
der Resonatorlängenabstimmvorrichtung
anstatt dem Quarzoszillator 21 des atomaren Oszillator,
wie in 5 gezeigt, verwendet wird. Das heißt, eine
Taktsignalausgabe von der Taktgewinnungsschaltung 9 wird
in einen Mikrowellenphasenmodulator 22a eingekoppelt, und
eine Fehlersignalausgabe vom Phasendiskriminator 27 ist mit
dem piezoelektrischer Wandler 18 über die Gegenkopplungsschaltung 16 und
den elektrischen Verstärker 17 gegengekoppelt.
Der Oszillator für
den Phasenmodulator 23, die atomare Cäsium-Strahlröhre 25, der elektrische
Verstärker 26,
der Phasendiskriminator 27 und die Gegenkopplungsschaltung 16 haben
den gleichen Aufbau wie der in 5 gezeigte atomare
Oszillator.
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Ein
Taktsignal (ausgegeben von der Taktgewinnungsschaltung 9)
vom selbsterregenden modengegengekoppelten Laserpulsoszillator wird
in den Mikrowellenphasenmodulator 22a eingekoppelt, und
es wird vom Oszillator für
den Phasenmodulator 23 zur phasenabhängigen Erfassung niederfrequenzmoduliert.
Bisher war es erforderlich, die Frequenz des Quarzoszillators 21 unter
Verwendung des Frequenz-Synthesizer/Multiplizierers 24 zu
multiplizieren, das vorliegende Ausführungsbeispiel jedoch erfordert
keine solche Multipliziervorrichtung, da die Taktsignalfrequenz
(Wiederholfrequenz des optischen Impulses) unmittelbar auf die atomare
Resonanzfrequenz abgestimmt werden kann.
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Das
Ausgabesignal des Mikrowellenphasenmodulators 22a wird
der atomaren Cäsium-Strahlröhre 25 zugeführt, ein
Ausgabesignal, das durch Wechselwirkung mit der Cäsium-Ramsey-Spektrallinie
erhalten wird, wird mit Hilfe des elektrischen Verstärkers 26 verstärkt und
mit dem Phasendiskriminator 27 gekoppelt. Im Phasendiskriminator 27 wird eine
Frequenzabweichung zwischen der Frequenz der Cäsium-Ramsey-Spektrallinie und
der Taktsignalfrequenz (Wiederholfrequenz) des modengegengekoppelten
Laserpulsoszillator phasenabhängig
erfaßt
und als Fehlersignal ausgegeben. Dieses Fehlersignal wird mit dem
piezoelektrischer Wandler 18 über die Gegenkopplungsschaltung 16 und
den elektrischen Verstärker 17 gegengekoppelt,
um die Resonatorlänge
des harmonischen und modengegengekoppelten Laserpulsoszillators
zu ändern.
Mit diesem Vorgang kann die Wiederholfrequenz des harmonischen und
modengegengekoppelten Laserpulsoszillators mit der Frequenz der
Cäsium-Ramsey-Spektrallinie
von 9,192 GHz synchronisiert werden.
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Daher
ist die Stabilität
der Wiederholfrequenz der optischen Impulsausgabe vom optischen Strahlteiler 8 an
den optischen Ausgabeanschluß wie die
des Cäsium-Atomfrequenz-Standards. Dieser
optische Impuls kann einem Demultiplexverfahren unterzogen werden,
um eine ultrakurze Impulsfolge eines hochpräzisen Ein-Sekunden-Intervalls
zu erzeugen. Dieser optische Ein-Sekunden-Impuls kann verwendet
werden, um einer Gemeinschaft über
ein optisches Netzwerk die Zeit bereitzustellen. Solch eine optische
Demultiplexerschaltung kann erzielt werde, indem beispielsweise
ein optischer Kerr-Schalter,
ein nichtlinearer Ringspiegel, ein Vier-Wellen-Mischschalter und ein Kreuzphasenmodulationsschalter verwendet
wird.
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Wenn
darüber
hinaus der Atomfrequenz-Standard-Laserpulsoszillator
der vorliegenden Erfindung als ein Mikrowellenoszillator verwendet
werden soll, wird die Taktsignalausgabe von der Taktgewinnungsschaltung 9 zur
elektrischen Mikrowellenausgabe. Es tritt keine Schwierigkeit auf,
was die Frequenzteilung dieser Mikrowellenausgabe auf eine Sekunde
anlangt, da eine Frequenzteilerschaltung im 10 GHz- bis 40 GHz-Bereich
bei praktischen Anwendungen immer verwendet wird. Wird solch eine
Frequenzteilerschaltung 28 verwendet, kann eine ultrastabile
Grundfrequenzausgabe (Ein-Sekunden-Takt) mit weniger Jitter als
beim atomarer Oszillator nach bekanntem Stand der Technik gewonnen werden.
Dies aufgrund der sehr guten Niedrig-Jitter-Daten im hohen Fourier-Frequenzbereich
des modengegengekoppelten Laserpulsoszillators, der den Quarzoszillator 21 ersetzt.
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2 zeigt
in einem Diagramm beispielhaft einen Vergleich der Schwankung der
Schwingungsfrequenz des atomarer Oszillators nach bekanntem Stand
der Technik mit der des Atomfrequenz-Standard-Laserpulsoszillators
entsprechend der vorliegenden Erfindung. Im Diagramm stellt die
X-Achse eine Verschiebungsfrequenz der Schwingungsfrequenz selbst
dar und die Y-Achse die gemessene spektrale Leistungsdichte (Einseitenband-Phasenrauschen).
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In
der Figur zeigt die Kurve (1) die Schwankung beim atomaren
Oszillator nach bekanntem Stand der Technik und die Kurve (2)
zeigt die Schwankung des Atomfrequenz-Standard-Laserpulsoszillators entsprechend der
vorliegenden Erfindung. Die Schwankung bei den Frequenzanteilen
ist bei Bauteilen nach bekanntem Stand der Technik größer. Diese
Schwankung ist ein Rauschanteil, der durch den Quarzoszillator hervorgerufen
wird, was zeigt, daß das
Rauschen durch Verwenden eines modengegengekoppelten Laserpulsoszillators
prinzipiell herabgesetzt werden kann. Der Gesamtwert des schraffierten
Teils zeigt den Jitter des Oszillators an, und es ist von Vorteil,
daß dieser
Wert kleiner ist.
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Statt
Cäsium
kann Rubidium (6,834 GHz), Wasserstoff (1,420 GHz), Thallium (21,310
GHz) oder Ammoniak (22,834 GHz) verwendet werden, die sich in der
Resonanzfrequenz unterscheiden.
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Darüber hinaus
können
Erbium, Neodym und Thulium als Seltene Erden der Seltenen Erdmetall-Ionen
dotierte optische Glasfaser 1, die den modengegengekoppelten
Laserpulsoszillator bilden, verwendet werden. Statt des Faserlasers
kann beim modengegengekoppelten Typ ein Festkörperlaser wie ein Titan-, ein
Sapphir- oder ein Halbleiterlaser aus Galliumarsenid oder IndiumGalliumarsenPhosphor
verwendet werden.
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Die
vorliegenden Erfindung wurde detailliert unter Berücksichtigung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
beschrieben, und damit wird es für den
Fachmann deutlich, daß Änderungen
und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von der Erfindung
in ihrer weiteren Lehre abzuweichen, und es versteht sich, daß die Erfindung
in den angefügten
Patentansprüchen
sämtliche
derartigen Änderungen
und Modifikationen abdeckt.
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Es
wird eine ultrastabile Mikrowellenausgabe mit weniger Jitter als
bei einem atomarer Oszillator nach bekanntem Stand der Technik erzielt,
und eine ultrakurze optische Impulsfolge wird mit einer Wiederholfrequenz
erzeugt, die auf dem gleichen Niveau wie ein Zeitstandard stabilisiert
ist. Die Wiederholfrequenz des modengegengekoppelten Laserpulsoszillators
mit sehr kleinen Jitter-Daten wird unmittelbar auf eine Resonanzfrequenz
verschiedener Atome synchronisiert. Der Oszillator stellt bereit:
Die Mittel (27) zur Erfassung der Frequenzdifferenz zwischen
der Taktsignalfrequenz und einer vorbestimmten atomaren Resonanzfrequenz,
und er gibt die Differenz als Fehlersignal aus, eine Resonatorlängenabstimmvorrichtung
zum Verändern
der Länge
des Laserresonators, wodurch die Taktsignalfrequenz und die vorbestimmte
Resonanzfrequenz übereinstimmen,
und eine Vorrichtung (16) zur Rückführung der Fehlersignalausgabe
von der Frequenzdifferenzerfassungsvorrichtung (27) an
die Resonatorlängenabstimmvorrichtung
(18). Dies gestattet die Erzeugung einer optischen Impulsfolge
(optische Ausgabe) und eines Taktsignals (Mikrowellenausgabe) einer
Resonanzfrequenz, die auf die vorbestimmte atomare Resonanzfrequenz
stabilisiert ist.