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的组合光学时间转移和光学时钟打开的可能性大规模无线网络连接地面光学时钟和未来天基光学时钟。这种网络承诺更好的广义相对论1,2,3,暗物质的搜索4和引力波探测5。光学时钟连接到一个遥远的卫星的能力可以使空间甚长基线干涉测量法6,7、先进的卫星导航8,clock-based大地测量学2,9,10和洲际的改善时间传播11,12。到目前为止,只有光学时钟推向quantum-limited性能13。相比之下,光学时间转移并没有在设定的类似量子限制了光子的数量。这里我们展示时间与quantum-limited附近采集和传输时间10000倍比先前的方法降低接收功率14,15,16,17,18,19,20.,21,22,23,24。超过300公里的山顶之间在夏威夷与启动大国低至40µW,遥远的网站同步320阿秒。这近quantum-limited操作是至关重要的长途空间链接光子数和放大成本:4.0 mW传输能量,这种方法可以支持102 dB连接损失,足够未来时间转移到地球同步轨道。
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确认
我们承认的言论t·博思韦尔f . Giorgetta和b·沃什伯恩。我们承认技术援助从美国赛义德·m·波定h .源t·赖特,m . Martinsen Kuniyuki, d。"美国鲍曼,NOAA MEES莫纳罗亚山天文台和哈雷阿卡拉天文台。我们承认美国空军科学研究办公室(批准号MIPR F4FGA02152G001),空军研究实验室(批准号fa9453 - 16 d - 0004), NSF QLCI奖(批准号OMA (2016244), NSF GRFP(批准号DGE 1650115)、OSD和美国国防部高级研究计划局DSO CRADA通过向量原子和NIST来融资。批准公开发布;分布是无限的。没有批准。 AFRL-2022-5993.
作者信息
作者和联系
贡献
J.-D.D。,L.C.S. and N.R.N. conceived the experiment. E.D.C., J.-D.D., L.C.S. and N.R.N. acquired and analysed the synchronization data from Hawaii, and wrote the paper. J.-D.D. and H.B. developed the signal acquisition processing. J.E., E.D.C. and L.C.S. constructed the optical system and acquired 2 km data. W.C.S. and B.K.S. designed and built the free-space optical terminals and contributed to the writing.
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相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突。
同行评审
同行审查的信息
自然谢谢大卫Gozzard Jungwon金和其他,匿名的,审稿人(s)为他们的贡献的同行评审工作。同行审查报告是可用的。
额外的信息
出版商的注意施普林格自然保持中立在发表关于司法主权地图和所属机构。
扩展数据数据和表
扩展数据图1自由空间光学终端设计。
每个终端传输的光梳(几千瓦)和灯塔激光信号在相同的低功率孔径(~ 2 mW)通过10厘米孔径8厘米1 / e2光束直径。避免牺牲梳光主动提示/倾斜稳定,另一个在1532 nm和1542 nm信标光束偏振多路直接到梳梁上。(信标波长不同的两个终端,允许发送和接收信标光束的波长多路分解)。终端传播的信标光束,来自一个偏振保持光纤耦合激光,通过光纤准直器、平行反射干涉滤光片的脸(充当镜子),并针对极化耦合器。合并后,~ 3.3毫米直径波束指向一个检流计的镜子,它提供提示/倾斜控制,然后通过24:1,10厘米孔径光束扩展器。在远端检测到的信标光的焦平面阵列。图像处理和梁位置反馈调整的技巧/倾斜即将离任的梳光和信标光相结合。这对大气湍流和优化耦合纠正的入射光频率梳到偏振保持单模光纤。
扩展数据图2链接总损失。
(一)图的链接的损失。aperture-to-aperture链接损失,包括频道损失\({{\魔法}}_{频道}\)是互惠是多余的损失从耦合进单模光纤,\({{\魔法}}_ {smf} \),而transceiver-specific损失\({{\魔法}}_ {rcv} \)和\({{\魔法}}_{发射}\)不是。而\({{\魔法}}_ {smf} \)倒数两个站点,损失是单向的,即只发生在入射光耦合到光纤。(b)测量值全部损失在不同运行策划对集成的动荡,以活塞噪音和假设10米/秒的风速。运行的平均损失在91分贝给11-dB保证金容许损失102 dB。
扩展数据图3强调信号处理系统图。
每个网站都有一个本地参考振荡器(腔稳定激光器),这两个时钟和跟踪梳梳理自我参照。如图所示为网站,在时钟和跟踪梳子都是锁相的参考振荡器,他们彼此之间的任意当地时间抵消。当地时间抵消由数字直接调到零位调整跟踪梳子计时,直到有一个最大的外差式重叠时钟脉冲梳。随后当地时间值跟踪梳子被引用到本地时钟梳子。收购后,定时甄别器(小)时间抵消措施δt一个输入时钟之间的梳子和地方跟踪梳子。这时间差异与跟踪总结梳理时间偏移量,生成输入时钟梳子脉冲时间的估计,t一个。这个估算,以及相应的测量输入的权力,是卡尔曼滤波器的输入,其输出提供了一个优化的滤波估计的输入时钟脉冲时间,梳理\ ({t} _{一}^ {KF} \)。这个值是输入最后一个反馈控制器的跟踪梳子,G罗。由于反馈回路,输出跟踪梳本身(包括物理光脉冲时间和相应的数字值),现在是一个过滤、估计价值的输入时钟梳子梳脉冲时间对本地时钟脉冲的时间。这个值是通过通信链路传输从站点到站点B,在加上相应的当地的价值tbsite B产生误差信号的时钟梳子。当两个站点获得锁定输入时钟脉冲梳,最后同步反馈控制器Gsy激活,site B梳子积极网站同步时钟时钟梳,在当地参考点。卡尔曼滤波器的有效带宽取决于输入功率,和范围从10赫兹至25 Hz。的带宽后续跟踪梳的锁(H跟踪)~ 450赫兹。的带宽同步锁(H同步)~ 15赫兹。这里的通信链路在射频同轴电缆。未来的点对点连接,它将由射频或在自由空间光学ref。15。更新的消息率(t一个)是400赫兹和总比特率是26 kbps。红色实线:光梳脉冲,红色虚线:连续波激光光学,黑线:数字值,P:输入光功率。
扩展数据图4使用光学定时甄别器跟踪梳子计时测量。
(一)子集扩展数据图的系统图。4展示的时间输入时钟梳子和当地的跟踪测量梳子。(b)光学定时甄别器的系统图和后续信号处理。光学定时甄别器生成两个测量通道铅和滞后两个梳子之间切换频道之间的位置。在测量这些频道平衡二极管(桶),外差输出电压产生智商(复杂)的信号解调,然后低通滤波(LPF)。一个信号的相位是用于锁相环解调频率调整,fDDS,在直流和中心的基带信号。信号的大小相结合生成一个估计的功率(从他们的均方值)和一个定时偏移值,δtb从他们的归一化差异。废话,分束器;ADC模拟到数字转换器;NCO,数控振荡器。(c)的绝对值定时甄别器的输出电压,|V1|和|V2|,作为时间的函数之间的抵消地方跟踪梳子和传入的时钟梳子。(d)产生的误差信号从两个渠道随着多项式适合用于数字处理来生成基于归一化误差信号的定时误差值,E。
扩展数据图5光学时间传输收发机设计一个网站。
这梳子收发机路线本地时钟无线光通信终端和传入的远程时钟梳光定时甄别器的混合与当地的跟踪和检测梳子。减少多余的光纤延迟,收发器还包括必要的光纤组件生成射频光打信号,f选择,用于锁定两个时钟和跟踪梳到本地腔稳定激光(CW)引用,和out-of-loop验证打信号。的参考平面out-of-loop验证点定义的两个时钟梳子50:50分配器内的重叠。校准步骤fiber-shorted联系决定了时间两个时钟偏移梳子由于路径延迟收发器。这次抵消包含在整个循环,时钟脉冲同步保持重叠当系统操作的链接。所有纤维PM1550。50:50,50/50分配器;挺,90/10分配器;带通滤波器、带通滤波器;iso,隔离器;cavity-stabilized DWDM(密集波分多路复用器的激光波长; 45° BS, polarization beam splitter with the input fiber rotated 45°.
扩展数据图6 Out-of-loop验证。
校准曲线的外差式电压vs时间偏移两个时钟之间的梳子用于out-of-loop验证。五分之一订单多项式适合曲线生成的映射解调外差测量电压的时间偏移量。
扩展数据图7痕迹为4.0 mW同步超过300公里的梳子权力site B(左,蓝色痕迹)减少,40μW梳理权力site B(对,绿色曲线)。
(一)时间跟踪的接收功率,P矩形,以定时甄别器的输出为网站与应用阈值显示为虚线黑线。Δ(b)控制的努力Tcntrl现场,应用B之间维持同步这两个网站的时钟梳子。因此,它也是一个测量两者之间的时间偏移cavity-stabilized参考激光。(c)飞行时间的变化。这些变化是由于温度漂移在300公里的空气和纤维路径到终端,终端的大气湍流和机械运动。(d) out-of-loop时间验证或“真理”的数据表明常数时间重叠时钟梳两个站点,尽管100 ps的飞行时间和100年代的变化nsΔ的变化Tcntrl。这个事实数据用于生成图的不稳定的偏差。3。
扩展数据图8额外分数频率不稳定。
修改艾伦out-of-loop验证数据的偏差(“真理”数据)4种不同的天在300公里的链接。数据从6月27日th和早期的6月28日th(紫色和粉色曲线)在长时间平均高MDEV由于故障out-of-loop验证光纤温度控制器和收发器。从6月29日的数据th(蓝色曲线)也出现在无花果。3的主要文本。
扩展数据图9接收功率和褪色统计在300公里链接站点4.0 mW的梳权力从站点B。
(a - c)接收功率超过600秒,6 s和0.06 s。红线表示270年弗兰克-威廉姆斯检测阈值。(d)归一化直方图(即。,probability density function, PDF) of the received power for the 600-second segment. (e) PDF of the fade durations. For the 4.0 mW comb power sent from site B, no fades exceeded a duration of 10 ms – a direct consequence of the low detection threshold at site A.
扩展数据图10接收功率和褪色统计链接在网站300公里40µW梳理权力从网站的B。
(a - c)接收功率超过600秒,6 s和0.06 s。红线表示270年弗兰克-威廉姆斯检测阈值。(d)归一化直方图(即。,probability density function, PDF) of the received power for the 600-second segment. (e) PDF of the fade durations. For the greatly reduced launch power, fades are more frequency and of longer duration than the data of Extended Data Fig.9。
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考德威尔,既有,Deschenes, JD., Ellis, J.et al。为未来的同步连接Quantum-limited光学时间转移。自然618年,721 - 726 (2023)。https://doi.org/10.1038/s41586 - 023 - 06032 - 5
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