高精度光學(xué)頻率傳遞實(shí)驗(yàn)研究

張林波，許冠軍，劉杰，高靜，靖亮，董瑞芳，劉濤，張首剛

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高精度光學(xué)頻率傳遞實(shí)驗(yàn)研究

張林波1,2,3，許冠軍1,2，劉杰1,2,3，高靜1,2，靖亮1,2,3，董瑞芳1,2，劉濤1,2，張首剛1,2

（1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心, 西安 710600；2. 中國(guó)科學(xué)院時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710600；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100039）

在利用單模光纖傳輸窄線寬激光過(guò)程中，由光纖外部環(huán)境引入的相位噪聲造成激光線寬的展寬。介紹了光纖相位噪聲抑制的基本原理，建立了光纖相位噪聲抑制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)了該相位噪聲抑制系統(tǒng)對(duì)激光通過(guò)20m單模光纖后相位噪聲抑制效果，等效光學(xué)頻率傳遞精度優(yōu)于3×10-18。

窄線寬激光；光纖光學(xué)頻率傳輸；相位噪聲抑制；光鐘

0 引言

隨著光鐘研究的飛速發(fā)展，如何提高現(xiàn)有原子鐘比對(duì)精度，實(shí)現(xiàn)本地及遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室光鐘間的高精度比對(duì)，成為深入研究光鐘特性以及未來(lái)國(guó)際原子時(shí)（TAI）建立的緊迫需求。光纖作為傳輸光信號(hào)的理想介質(zhì)，為傳輸激光頻率提供了可能和便利。窄線寬激光是光鐘的必要組成部分，在高分辨率激光光譜、基本物理理論驗(yàn)證等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用[1-4]。在冷原子精密光譜檢測(cè)及光鐘研制中，通常需要通過(guò)光纖傳輸窄線寬激光。然而，利用光纖傳輸窄線寬激光時(shí)，由于光纖受到外界各種因素的影響會(huì)使經(jīng)過(guò)光纖傳輸后的窄線寬激光相位發(fā)生隨機(jī)變化，等效于激光線寬的展寬。影響光纖中傳輸激光的相位變化的主要外界因素有溫度、機(jī)械振動(dòng)、氣流和壓力等[5]。外界因素的變化會(huì)使光纖的長(zhǎng)度及折射率發(fā)生變化而改變激光在光纖中的光程，導(dǎo)致傳輸光束相位的隨機(jī)變化[6]。

當(dāng)用光纖傳輸窄線寬激光時(shí)，抑制光纖相位噪聲就顯得非常重要[7-8]。華東師范大學(xué)馬龍生教授等首先提出利用相位補(bǔ)償調(diào)制的方法來(lái)消除由光纖引起的譜線展寬[9]，實(shí)驗(yàn)中將25m光纖引入的1.2kHz的激光線寬展寬減小到0.95mHz，該研究成果使光纖傳輸窄線寬激光成為可能。目前，世界上有多個(gè)實(shí)驗(yàn)室利用這種方法來(lái)進(jìn)行窄線寬激光及頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的光纖傳輸[10-13]。

光纖相位噪聲抑制系統(tǒng)的最終目標(biāo)是利用激光在光纖中往返傳輸來(lái)檢測(cè)光纖引入的相位噪聲，并對(duì)耦合進(jìn)光纖前的激光進(jìn)行相位補(bǔ)償調(diào)制，并使該補(bǔ)償調(diào)制與傳輸過(guò)程中引入的相位噪聲相消，從而達(dá)到抑制相位噪聲的目的。本文主要介紹相位噪聲抑制的基本原理，并進(jìn)行了光纖相位噪聲抑制的實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

光纖相位噪聲抑制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示：激光光源為698nm外腔半導(dǎo)體激光器，用一根長(zhǎng)20m的單模光纖傳輸。實(shí)驗(yàn)中包含2個(gè)聲光調(diào)制器（AOM），其中AOM1對(duì)耦合進(jìn)入光纖的激光進(jìn)行頻率移動(dòng)的同時(shí)還起相位補(bǔ)償調(diào)制的作用，AOM2對(duì)從光纖輸出的激光只起到頻率移動(dòng)的作用，AOM1和AOM2驅(qū)動(dòng)信號(hào)源頻率都是80MHz。經(jīng)過(guò)AOM1后的激光取其“-1”階衍射光，經(jīng)過(guò)AOM2的“+1”階衍射光經(jīng)偏振分束棱鏡4（PBS4）后被全反鏡返回到AOM2，被AOM2 2次移頻后，頻率移動(dòng)量為160MHz，并沿光纖原路返回與AOM1輸出的“-1”階衍射光在光電探測(cè)器1（PD1）上拍頻。PD1輸出頻率為160MHz的拍頻信號(hào)，此信號(hào)包含傳輸過(guò)程中光纖引入的雙程相位噪聲。該信號(hào)作為鎖相控制電路的輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)一個(gè)鎖相環(huán)路，將誤差信號(hào)反饋到AOM1的驅(qū)動(dòng)器上來(lái)調(diào)節(jié)其頻率，使之抵消由光纖引入的相位噪聲。

注：PBS：偏振分束棱鏡；BS：分束鏡；AOM：聲光調(diào)制器；Fiber：光纖；PD:光電探測(cè)器；AMP：信號(hào)放大器；f /2：二分頻器；VCO：壓控振蕩器

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

為了檢測(cè)光纖相位噪聲抑制系統(tǒng)的抑制效果，通常采用自拍頻法來(lái)進(jìn)行測(cè)試，即對(duì)光纖傳輸后的光與未經(jīng)過(guò)光纖傳輸?shù)墓膺M(jìn)行拍頻比較。如圖1所示從AOM2輸出的“0”階衍射光與經(jīng)過(guò)PBS1的反射光在光電探測(cè)器PD2上拍頻，產(chǎn)生一頻率為80MHz的射頻信號(hào)，將此信號(hào)與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源輸出的信號(hào)送入雙平衡混頻器后產(chǎn)生一個(gè)低頻信號(hào)，用StanfordResearch公司出品的快速傅立葉頻譜分析儀（SR785）對(duì)該信號(hào)進(jìn)行高精度分析，可以檢測(cè)光纖傳輸過(guò)程中相位噪聲引起的激光線寬展寬及相位噪聲抑制系統(tǒng)的抑制效果。

實(shí)驗(yàn)中我們把光纖置于人為創(chuàng)造的嘈雜環(huán)境中，從圖2可以看到光纖引入的相位噪聲使得光纖輸入和輸出光的相干性變差，導(dǎo)致拍頻信號(hào)的線寬展寬到幾百赫茲。當(dāng)開(kāi)啟光纖相位噪聲抑制系統(tǒng)后，拍頻信號(hào)的線寬立即減小到4mHz（RBW=0.95mHz），如圖3所示。圖4所示為把光纖放在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中沒(méi)有外界擾動(dòng)的情況下，在光纖相位噪聲抑制系統(tǒng)正常工作時(shí)，拍頻信號(hào)的線寬僅為1mHz（RBW=0.95mHz），受限于頻譜分析儀的分辨率。

圖3 外界擾動(dòng)下，有噪聲抑制的激光線寬

圖4 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，有噪聲抑制的激光線寬

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于相位噪聲的影響使得激光通過(guò)20m單模光纖傳輸后線寬展寬了數(shù)百赫茲量級(jí)，而相位噪聲抑制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠使光纖相位噪聲引起的頻譜展寬壓縮到毫赫茲量級(jí)，等效光學(xué)頻率傳遞精度優(yōu)于3×10-18。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了光纖相位噪聲抑制的基本原理，建立了光纖相位噪聲抑制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)控制光纖引入的相位噪聲，將20 m單模光纖引入的譜線展寬減小到1 mHz。本課題組正在進(jìn)行用于鍶光鐘的698 nm窄線寬激光研究，并初步實(shí)現(xiàn)了2套系統(tǒng)的拍頻比對(duì)，拍頻比對(duì)時(shí)由于用于傳輸激光的光纖引入的相位噪聲，使得拍頻結(jié)果并不能真實(shí)反映窄線寬系統(tǒng)的穩(wěn)頻情況。下一步打算將光纖相位噪聲抑制系統(tǒng)應(yīng)用于拍頻比對(duì)實(shí)驗(yàn)。

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Report of optical frequency transfer via fiber

ZHANG Lin-bo1,2,3, XU Guan-jun1,2, LIU Jie1,2,3, GAO Jing1,2, JING Liang1,2,3, DONG Rui-fang1,2, LIU Tao1,2, ZHANG Shou-gang1,2

(1. National Time Service Centre, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standard, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;3. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

When a narrow-linewidth laser is transferred through a single-mode optical fiber, the phase noise induced by the environment, results in broadening of the laser linewidth. In this article, we introduced the basic principle of the fiber phase noise suppression, and established the experimental system of it. In the experiment we observed the laser phase noise suppression effect through the system of the fiber phase noise suppressing of a 20m single-mode fiber, the precision of the optical frequency transfer is better than 3×10-18.

narrow-linewidth laser; optical frequency transfer via fiber; phase noise suppression; optical atomic clock

TM935.1

A

1674-0637(2013)03-0129-05

2013-01-05

國(guó)家重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)資助項(xiàng)目（61127901），國(guó)家杰出青年基金資助項(xiàng)目（61025023）

張林波，男，碩士，主要從事高精度時(shí)間頻率產(chǎn)生和傳遞研究。