高精度光学频率传递实验研究

张林波，许冠军，刘杰，高静，靖亮，董瑞芳，刘涛，张首刚



高精度光学频率传递实验研究

张林波1,2,3，许冠军1,2，刘杰1,2,3，高静1,2，靖亮1,2,3，董瑞芳1,2，刘涛1,2，张首刚1,2

（1. 中国科学院国家授时中心, 西安 710600；2. 中国科学院时间频率基准重点实验室, 西安 710600；3. 中国科学院大学, 北京 100039）

在利用单模光纤传输窄线宽激光过程中，由光纤外部环境引入的相位噪声造成激光线宽的展宽。介绍了光纤相位噪声抑制的基本原理，建立了光纤相位噪声抑制实验系统。实验观测了该相位噪声抑制系统对激光通过20m单模光纤后相位噪声抑制效果，等效光学频率传递精度优于3×10-18。

窄线宽激光；光纤光学频率传输；相位噪声抑制；光钟

0 引言

随着光钟研究的飞速发展，如何提高现有原子钟比对精度，实现本地及远程实验室光钟间的高精度比对，成为深入研究光钟特性以及未来国际原子时（TAI）建立的紧迫需求。光纤作为传输光信号的理想介质，为传输激光频率提供了可能和便利。窄线宽激光是光钟的必要组成部分，在高分辨率激光光谱、基本物理理论验证等领域也有广泛应用[1-4]。在冷原子精密光谱检测及光钟研制中，通常需要通过光纤传输窄线宽激光。然而，利用光纤传输窄线宽激光时，由于光纤受到外界各种因素的影响会使经过光纤传输后的窄线宽激光相位发生随机变化，等效于激光线宽的展宽。影响光纤中传输激光的相位变化的主要外界因素有温度、机械振动、气流和压力等[5]。外界因素的变化会使光纤的长度及折射率发生变化而改变激光在光纤中的光程，导致传输光束相位的随机变化[6]。

当用光纤传输窄线宽激光时，抑制光纤相位噪声就显得非常重要[7-8]。华东师范大学马龙生教授等首先提出利用相位补偿调制的方法来消除由光纤引起的谱线展宽[9]，实验中将25m光纤引入的1.2kHz的激光线宽展宽减小到0.95mHz，该研究成果使光纤传输窄线宽激光成为可能。目前，世界上有多个实验室利用这种方法来进行窄线宽激光及频率标准信号的光纤传输[10-13]。

光纤相位噪声抑制系统的最终目标是利用激光在光纤中往返传输来检测光纤引入的相位噪声，并对耦合进光纤前的激光进行相位补偿调制，并使该补偿调制与传输过程中引入的相位噪声相消，从而达到抑制相位噪声的目的。本文主要介绍相位噪声抑制的基本原理，并进行了光纤相位噪声抑制的实验研究。

1 实验装置及原理

光纤相位噪声抑制系统实验装置如图1所示：激光光源为698nm外腔半导体激光器，用一根长20m的单模光纤传输。实验中包含2个声光调制器（AOM），其中AOM1对耦合进入光纤的激光进行频率移动的同时还起相位补偿调制的作用，AOM2对从光纤输出的激光只起到频率移动的作用，AOM1和AOM2驱动信号源频率都是80MHz。经过AOM1后的激光取其“-1”阶衍射光，经过AOM2的“+1”阶衍射光经偏振分束棱镜4（PBS4）后被全反镜返回到AOM2，被AOM2 2次移频后，频率移动量为160MHz，并沿光纤原路返回与AOM1输出的“-1”阶衍射光在光电探测器1（PD1）上拍频。PD1输出频率为160MHz的拍频信号，此信号包含传输过程中光纤引入的双程相位噪声。该信号作为锁相控制电路的输入信号，经过一个锁相环路，将误差信号反馈到AOM1的驱动器上来调节其频率，使之抵消由光纤引入的相位噪声。

注：PBS：偏振分束棱镜；BS：分束镜；AOM：声光调制器；Fiber：光纤；PD:光电探测器；AMP：信号放大器；f /2：二分频器；VCO：压控振荡器

2 实验结果及讨论

为了检测光纤相位噪声抑制系统的抑制效果，通常采用自拍频法来进行测试，即对光纤传输后的光与未经过光纤传输的光进行拍频比较。如图1所示从AOM2输出的“0”阶衍射光与经过PBS1的反射光在光电探测器PD2上拍频，产生一频率为80MHz的射频信号，将此信号与一个标准信号源输出的信号送入双平衡混频器后产生一个低频信号，用StanfordResearch公司出品的快速傅立叶频谱分析仪（SR785）对该信号进行高精度分析，可以检测光纤传输过程中相位噪声引起的激光线宽展宽及相位噪声抑制系统的抑制效果。

实验中我们把光纤置于人为创造的嘈杂环境中，从图2可以看到光纤引入的相位噪声使得光纤输入和输出光的相干性变差，导致拍频信号的线宽展宽到几百赫兹。当开启光纤相位噪声抑制系统后，拍频信号的线宽立即减小到4mHz（RBW=0.95mHz），如图3所示。图4所示为把光纤放在实验室环境中没有外界扰动的情况下，在光纤相位噪声抑制系统正常工作时，拍频信号的线宽仅为1mHz（RBW=0.95mHz），受限于频谱分析仪的分辨率。

图3 外界扰动下，有噪声抑制的激光线宽

图4 实验室环境中，有噪声抑制的激光线宽

实验结果表明，由于相位噪声的影响使得激光通过20m单模光纤传输后线宽展宽了数百赫兹量级，而相位噪声抑制实验系统能够使光纤相位噪声引起的频谱展宽压缩到毫赫兹量级，等效光学频率传递精度优于3×10-18。

3 结语

本文主要介绍了光纤相位噪声抑制的基本原理，建立了光纤相位噪声抑制实验系统来控制光纤引入的相位噪声，将20 m单模光纤引入的谱线展宽减小到1 mHz。本课题组正在进行用于锶光钟的698 nm窄线宽激光研究，并初步实现了2套系统的拍频比对，拍频比对时由于用于传输激光的光纤引入的相位噪声，使得拍频结果并不能真实反映窄线宽系统的稳频情况。下一步打算将光纤相位噪声抑制系统应用于拍频比对实验。

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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

国家重大科研仪器设备研制专项资助项目（61127901），国家杰出青年基金资助项目（61025023）

张林波，男，硕士，主要从事高精度时间频率产生和传递研究。