Pela primeira vez, pesquisadores demonstraram que uma referência de frequência estável pode ser transmitida com segurança por mais de 300 quilômetros por uma rede de telecomunicações de fibra óptica padrão e usada para sincronizar dois radiotelescópios. Referências de frequência estáveis, que são usados ​​para calibrar relógios e instrumentos que fazem medições ultraprecisas, geralmente são acessíveis apenas em instalações que os geram usando relógios atômicos caros. A nova tecnologia pode permitir que cientistas de qualquer lugar acessem o padrão de frequência simplesmente conectando-se à rede de telecomunicações.

A capacidade de enviar referências de frequência estáveis ​​pela rede de telecomunicações pode ser particularmente útil para arranjos de radiotelescópios, como o Square Kilometer Array (SKA), um esforço internacional para construir o maior radiotelescópio do mundo usando matrizes na Austrália e na África do Sul. Quando terminar, O SKA detectará ondas de rádio fracas do espaço profundo com uma sensibilidade cerca de 50 vezes maior do que a do telescópio Hubble. Radiotelescópios individuais serão conectados para criar uma área total de coleta de cerca de 1 milhão de metros quadrados.

Ligar radiotelescópios em uma matriz requer que cada telescópio tenha acesso a um relógio atômico para registrar o tempo preciso em que um sinal é detectado de um objeto no espaço. Focar todos os telescópios no mesmo objeto e então calcular as pequenas diferenças no tempo para o sinal chegar a cada telescópio permite que os pesquisadores combinem todas as observações e identifiquem a localização do objeto e outras características. Referências transmitidas estáveis ​​podem ser usadas para calibrar o tempo relativo em cada telescópio, eliminando a necessidade de vários relógios atômicos em uma matriz de radiotelescópio.

No Optica , pesquisadores de um consórcio de instituições australianas relatam o sucesso da transmissão de uma referência de frequência estável entre dois radiotelescópios via link de fibra e demonstram que o desempenho da técnica é superior ao uso de um relógio atômico em cada telescópio. O consórcio incluiu Rede Acadêmica e de Pesquisa da Austrália (AARNet), a Australian National University, a Organização de Pesquisa Científica e Industrial da Commonwealth (CSIRO), o Instituto Nacional de Medição, Macquarie University e a University of Adelaide.

Os resultados mostram que a técnica é capaz de compensar flutuações de sinal na rede de fibra óptica introduzidas por fatores ambientais, como mudanças de temperatura ou vibrações. A demonstração foi realizada até em uma rede que transmitia tráfego de telecomunicações ao vivo ao mesmo tempo.

Teste com tráfego de rede ao vivo

"Ao realizar o experimento em fibras ópticas que também transportam tráfego normal, mostramos que a transmissão do padrão de frequência estável não afeta os dados ou chamadas telefônicas nos outros canais, "disse Kenneth Baldwin, membro da equipe de pesquisa da Australian National University. "Isso é necessário para obter a cooperação das empresas de telecomunicações que possuem essas redes de fibra."

Mais importante, a nova técnica não requer alterações substanciais no resto da rede de fibra óptica e é fácil de implementar. Para manter a frequência estável durante a transmissão, os pesquisadores enviam o sinal através da rede para um destino e então o refletem de volta. O sinal de retorno é usado para determinar se alguma alteração ocorreu. Após cada viagem de ida e volta, qualquer mudança de frequência transmitida é subtraída passivamente para compensar exatamente as mudanças medidas.

Para cada 100 quilômetros de fibra, a viagem de ida e volta leva cerca de 1 milissegundo. Mesmo que o processo de compensação aconteça muito rapidamente, o tempo na extremidade receptora pode variar durante as viagens de ida e volta. Para resolver este problema, um oscilador de quartzo no local remoto mantém o tempo estável entre as viagens de ida e volta.

"A frequência do oscilador de quartzo também irá eventualmente flutuar, portanto, nosso processo exclusivo combina estabilização local com o oscilador de quartzo por curtos períodos de tempo, com a estabilização mais longa - maior do que o tempo de ida e volta - fornecida pela técnica de referência de frequência estável transmitida, "disse Baldwin." Este método altamente estável para transmitir a referência de frequência permite um relógio atômico, que custou cerca de duzentos mil dólares, a ser substituído por um sistema que custa apenas algumas dezenas de milhares de dólares. "

Demonstrando transmissão de longa distância

Para demonstrar seu método, os pesquisadores começaram com um tipo de relógio atômico conhecido como maser de hidrogênio localizado no CSIRO Australia Telescope Compact Array (ATCA). Eles imprimiram o sinal de referência de radiofrequência do maser em um feixe de laser que então viajou através de uma fibra AARNet de 155 quilômetros e vários estágios de amplificação para um segundo radiotelescópio, e de volta. Assim que o processo de compensação começou, a referência foi captada pelo radiotelescópio na outra extremidade da conexão.

Os pesquisadores usaram a referência de frequência estável para calibrar os dois telescópios, que foram usados ​​para examinar o mesmo objeto no espaço. Eles descobriram que, em vez do sinal de frequência estável limitar o desempenho dos telescópios, diferenças atmosféricas entre os dois locais foi o fator limitante. Para eliminar a interferência atmosférica e entender melhor como o novo método melhorou o desempenho do telescópio, os pesquisadores então usaram apenas uma antena telescópica no ATCA equipada com dois receptores separados para fazer as medições. Esse método de "antena dividida" permitiu que um receptor estabilizado pelo maser de hidrogênio fosse comparado com o outro receptor estabilizado usando a referência de frequência estável que foi enviada em uma viagem de ida e volta de 310 quilômetros através da fibra.

"Nossos experimentos mostraram que a referência de frequência transmitida era muito estável, significativamente mais estável do que a atmosfera terrestre, "disse Baldwin." Nossa abordagem de replicar exatamente o sinal de frequência estável de um relógio atômico teve desempenho pelo menos tão bom quanto dois relógios atômicos, que podem apresentar pequenas diferenças entre si. "

Os pesquisadores dizem que sua demonstração mostra que o novo método está pronto para implementação por radioastrônomos que desejam evitar o uso de vários relógios atômicos em um conjunto de telescópios. O método pode ser usado em distâncias ainda maiores, usando mais amplificadores para aumentar o sinal. Isso também permitiria que referências de frequência estáveis ​​sejam transmitidas em uma rede nacional de fibra óptica, onde qualquer cientista com acesso a uma rede de telecomunicações poderia usá-los.

"Quando os relógios atômicos foram inventados, ninguém pensou que eles forneceriam padrões de tempo que seriam usados ​​para navegação GPS, por exemplo, "disse Baldwin." Esperamos que da mesma forma, o fácil acesso a padrões de frequência que são tão estáveis ​​quanto aqueles encontrados em um laboratório de medição nacional será uma tecnologia capacitadora para muitas aplicações que requerem temporização precisa e medições de frequência precisas. "