一种用于光频传递的全光纤化窄线宽光纤激光装置及方法与流程

本发明属于激光器技术领域，涉及一种光纤激光器，尤其是一种用于光频传递的全光纤化窄线宽光纤激光装置及方法。

背景技术：

窄线宽激光具有极低相位噪声和优异的相干长度，在科学研究和技术领域中有着重要且广泛的应用：如光钟、高精密光谱、以及时间频率传递等。在传递精度最高的光纤时间频率传递领域，通信波段窄线宽激光器是实现超远距离超高精度光学频率传递的重要保证。随着稀土掺杂光纤的迅猛发展，商用光纤激光器的线宽能到kHz量级，但仍难满足超高精度长距离频率传递的要求，因此需要研制具有通信波段的低噪声窄线宽激光装置。

目前，国际上主要采用了以高精细度光学腔为频率参考，通过PDH稳频技术实现Hz量级的窄线宽激光器。2012年，德国PDB研究小组将长度为210mm的单晶硅参考腔置于温度为124k的工作环境中，将1550nm的光纤激光器的线宽压窄到40mHz。但这种方案需要光学器件在自由空间内严格组建以及空间模式的良好匹配等，特别是高精细度参考腔价格比较昂贵、体积大而且对工作环境要求非常苛刻。这些因素限制腔稳激光在实际工程中的应用。随着光纤技术的广泛应用，通过光纤延时线配合严密的封装可以实现干涉仪光程差的稳定，而双光束干涉稳频技术的鉴频精确度取决于光程差的高稳定性，所以这种稳频技术得到了很大的发展。利用光纤干涉仪反馈方式实现窄线宽激光的新方法具有技术指标高、抗干扰能力强、易于集成化、成本低等优势，是光纤光学频率信号传递、特别是时间频率传递中继站用光源的理想选择。1989年Ying T. Chen首次提出一种利用单模光纤组成的M-Z干涉仪稳定氦氖激光器的频率，实现激光线宽的压窄。但在这种M-Z干涉仪稳定激光方案中，干涉仪采用普通低双折射单模光纤,其传输特性容易受外界环境的影响,容易引起干涉仪输出信号可见度发生变化，从而影响鉴频精确度和稳频结果。2006年，东京大学的Kakeru Takahashi等人利用Michelson光纤干涉仪，实现光纤激光器在1Hz处频率噪声谱密度低于20Hz/√Hz。2015年，Jing Dong等人采用类似的方案，选用延时光纤为1km的Michelson光纤干涉仪，，实现光纤激光器在1Hz处频率噪声谱密度低于-1dB Hz²/Hz。但此方案需要对整个干涉仪进行主动控温，抗振等，而且1km长光纤需放置于低真空腔室隔离。这些比较苛刻实验条件，不利于其在实际工程中的应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用于光频传递的全光纤化窄线宽光纤激光装置及方法，其在不降低干涉仪鉴频精度的条件下，能够缩短延时光纤的长度，提高鉴频精度、降低成本且可搬运。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

这种用于光频传递的全光纤化窄线宽光纤激光装置：包括激光器、第一频移器、隔离器、第一Y型耦合器、X型耦合器、衰减器、第一法拉第旋转镜、第二Y型耦合器、第二法拉第旋转镜、第二频移器、延时光纤、光纤放大器、第三频移器、第三法拉第旋转镜、光电探测器、带通滤波器、示波器以及频率综合器；

所述激光器通过光纤依次连接第一频移器、隔离器和第一Y型耦合器；所述第一Y型耦合器有两个分支端，第一分支端用于窄线宽光源输出，第二个分支端用于稳频；所述第一Y型耦合器的稳频端口连接X型耦合器的输入端口a端；所述X型耦合器的输出端口c端依次连接衰减器和第一法拉第旋转镜，所述X型耦合器的输出端口d端连接至第二Y型耦合器的分支端e端；

所述第二Y型耦合器的总端g端连接至第二法拉第旋转镜，所述第二Y型耦合器的分支端f端与第二频移器连接；所述第二法拉第旋转镜、第二Y型耦合器、第二频移器、延时光纤、光纤放大器、第三频移器及第三法拉第旋转镜通过光纤依次连接形成自循环闭合环路；

所述X型耦合器的反射输出端b连接至光电探测器，光电探测器的输出端通过带通滤波器连接到频率综合器的输入端；所述频率综合器对光信号进行鉴频，并通过输出端口反馈到激光器和第一频移器的调制端口；所述示波器的输入端分别与光电探测器和频率综合器的输出端口连接。

进一步，上述激光器为光纤激光器。

进一步，以上光纤放大器为双向掺铒光纤放大器。

进一步，所述激光器具有PZT协调功能；所述第一频移器频移值40MHz，耦合效率62％，对激光进行频率调制的同时还起相位补偿的调制的作用；第一Y型耦合器的分光比为90:10；隔离器的隔离度为30dB；所述X型耦合器的分光比为50:50；所述第二Y型耦合器为定向1*2耦合器；所述第一法拉第旋转镜、第二法拉第旋转镜和第三法拉第旋转镜的旋转角度均为45度。所述第二频移器由一个正声光频移器构成，频移值40MHz；所述光纤放大器的增益可调；所述第三频移器由一个负声光频移器构成，频移值-39MHz；所述光电探测器为InGaAs PN探测器。

进一步，上述激光器线宽Δν为2kHz，中心波长1550nm。

进一步，上述第二Y型耦合器的f端和e端的分光比为90:10。

进一步，上述光纤放大器的最大增益为40dB，最小输入功率为-20dBm，最大噪声5dB。

本发明还提出一种基于上述用于光频传递的全光纤化窄线宽光纤激光装置的光频传递方法，包括以下步骤：

1)激光器的输出光束通过第一频移器和隔离器后，被第一Y型耦合器分为两部分，一部分激光功率作为窄线宽光源输出，另一部分光用于稳频；用于稳频的光束通过X型耦合器分成两路：一路光作为参考光，经衰减器后被末端的第一法拉第旋转镜反射，沿原光路返回到X型耦合器的b端输出；另一路光作为信号光由第二Y型耦合器的分支端e进入自循环闭合环路；信号光束在自循环闭合环路中循环一次，延时2τ并频移2(α-β)MHz；信号光在自循环闭合环路中循环n次后，一部分延时光被第二法拉第旋转镜反射并由第二Y型耦合器的g端进入e端并返回到X型耦合器的b端输出，最后和短臂中的参考光在X型耦合器的b端发生干涉，并通过光电探测器获得多阶干涉拍频信号；

2)实现激光频率噪声的探测后，多阶拍频信号通过带通滤波器，选取某一高阶拍频信号作为稳频的拍频信号，所述拍频信号通过频率综合器相位鉴别获得误差信号，最后通过伺服系统反馈到激光器和第一频移器的调制端口，实现激光器线宽压窄和稳定度提高；其中，快速的频率调整由驱动第一频移器的压控振荡器来提供。

进一步，上述用于光频传递的全光纤化窄线宽光纤激光装置放在包裹有保温棉的隔音箱中，并通过被动隔振台减小振动敏感度。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的核心部件(延时光纤盘)小型化。利用两个法拉第镜构成的自循环光路，使延时光多次循环经过同一延时光纤，非常有效减小延时光纤的长度，从而降低稳频系统对外界的敏感度。

(2)本发明的鉴频精度高：采用改进的不等臂光纤干涉仪，无需偏振控制器，偏振态稳定，消除了拍频信号的偏振衰落。

3.本发明光学系统全光纤化，各光纤元件熔接相连，无需光学器件在自由空间内严格组建，具有抗干扰能力强、成本低、易于集成化等优势。

附图说明

图1是全光纤化窄线宽光纤激光装置的结构示意图；

图2是探测器获得的多阶干涉拍频信号；

图3是激光线宽的拍频结果；

图4是110km实验室光纤频率传递系统稳定度测量。

其中，1激光器；2第一频移器；3隔离器；4第一Y型耦合器；5X型耦合器；6衰减器；7第一法拉第旋转镜；8第二Y型耦合器；9第二法拉第旋转镜；10第二频移器；11延时光纤；12光纤放大器；13第三频移器；14第三法拉第旋转镜；15光电探测器；16带通滤波器；17示波器；18频率综合器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1：本发明用于光频传递的全光纤化窄线宽光纤激光装置，包括激光器1、第一频移器2、隔离器3、第一Y型耦合器4、X型耦合器5、衰减器6、第一法拉第旋转镜7、第二Y型耦合器8、第二法拉第旋转镜9、第二频移器10、延时光纤11、光纤放大器12、第三频移器13、第三法拉第旋转镜14、光电探测器15、带通滤波器16、示波器17 以及频率综合器18。连接关系如下：

激光器1通过光纤依次连接第一频移器2、隔离器3和第一Y型耦合器4；所述第一Y型耦合器4有两个分支端，第一分支端用于窄线宽光源输出，第二个分支端用于稳频；所述第一Y型耦合器4的稳频端口连接X型耦合器5的输入端口a端；所述X型耦合器5的输出端口c端依次连接衰减器6和第一法拉第旋转镜7，所述X型耦合器5的输出端口d端连接至第二Y型耦合器8的分支端e端；

第二Y型耦合器8的总端g端连接至第二法拉第旋转镜9，所述第二Y型耦合器8的分支端f端与第二频移器10连接；所述第二法拉第旋转镜9、第二Y型耦合器8、第二频移器10、延时光纤11、光纤放大器12、第三频移器13及第三法拉第旋转镜14通过光纤依次连接形成自循环闭合环路；

X型耦合器5的反射输出端b连接至光电探测器15，光电探测器15的输出端通过带通滤波器16连接到频率综合器18的输入端；所述频率综合器18对光信号进行鉴频，并通过输出端口反馈到激光器1和第一频移器2的调制端口；所述示波器17的输入端分别与光电探测器15和频率综合器18的输出端口连接。

本发明的激光器1为光纤激光器。光纤放大器12为双向掺铒光纤放大器。

基于上述装置，本发明实现全光纤化窄线宽光纤激光装置的具体步骤如下：

1)光纤激光器1的输出光束通过第一频移器2和隔离器3后，被第一Y型耦合器4分为两部分，大部分激光功率作为窄线宽光源输出，另一小部分光用于稳频。用于稳频的光束通过3dB X型耦合器5分成两路：一路光作为参考光，经衰减器6后被末端的第一法拉第旋转镜7反射，沿原光路返回到X型耦合器5的b端输出；另一路光作为信号光由第二Y型耦合器8的分支端e进入自循环闭合环路中循环。自循环闭合环路由第二法拉第旋转镜9、第二Y型耦合器8、第二频移器(频移量α)10、延时光纤(延时τ)11、光纤放大器12、第三频移器(频移量-β)13及第三法拉第旋转镜14通过光纤依次连接形成。信号光束在自循环闭合环路中循环一次，延时2τ并频移2(α-β)MHz。信号光在自循环闭合环路中循环n(n为自然数)次后，一部分延时光被第二法拉第旋转镜9反射并由第二Y型耦合器8的g端进入e端并返回到X型耦合器5的b端输出，最后和短臂中的参考光在X型耦合器5的b端发生干涉，并通过光电探测器15获得多阶干涉拍频信号。

2)实现激光频率噪声的探测后，多阶拍频信号通过带通滤波器16，选取某一高阶拍频信号作为稳频的拍频信号。此拍频信号通过频率综合器18相位鉴别获得误差信号,最后通过伺服系统反馈到激光器1和第一频移器2的调制端口，实现激光器1线宽压窄和稳定度提高。其中，激光器1的压电调制器提供大范围的频率调整但响应速度偏低，快速的频率调整由驱动第一频移器2的压控振荡器来提供。

本发明的光频传递时，为了降低环外噪声(如声音、振动、温度、气流等噪声)对系统的干绕，整个光学装置放在包裹有保温棉的隔音箱中并通过被动隔振台减小系统的振动敏感度。

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于该实施例表述的范围。

实施例：

如附图1所示，本实施例中用于光频传递的窄线宽激光系统由以下部件组成：

光纤激光器：具有PZT协调功能，线宽Δν约为2kHz，中心波长1550nm；

频移器1：频移值40MHz，耦合效率62％，对激光进行频率调制的同时还起相位补偿的调制的作用；

第一Y型耦合器：分光比90:10，大部分激光用于光频传递；

隔离器：隔离度30dB，防止光反馈对激光器的干绕；

X型耦合器：分光比50:50；

第二Y型耦合器：定向1*2耦合器，f端和e端的分光比90:10。分光比直接影响的拍频信号的最大阶数，f端分光越多，获得的拍频阶数越多；

衰减器：调节光路的光功率，同时减小光纤环路中光纤噪声(如寄生噪声)；

法拉第旋转镜：旋转角度45度，它能将反射光的偏振正好抵消入射光的偏振态变化，所以光束的偏振状态与传导光纤双折射特性无关，从而实现光纤干涉仪的偏振不敏感；

第二频移器：由一个正声光频移器构成，频移值40MHz；

光纤盘：干涉仪的核心部件，延时光纤越长干涉仪鉴频能力越强，，稳频系统的质量因子越高。。光纤长度50m，延时0.25μs，在自循环光路中往返循环一次延时0.5μs。光纤通过对称形式绕制在铝制光纤盘上；

双向掺铒光纤放大器(EDFA)：增益可调，最大增益40dB,最小输入功率-20dBm，最大噪声5dB，用于补偿激光经自循环光路时的功率损耗；

第三频移器：由一个负声光频移器构成，频移值-39MHz。光束在自循环光路中循环一次，光频移2*(40-39)＝2MHz；

光电探测器：带宽约400MHz，InGaAs PN探测器；

频率综合器：为三个频移器提供射频信号，同时可对拍频信号进行解调，为激光锁定提供鉴频信号；

示波器：监测拍频信号和鉴频信号。

实验装置示意图如图1所示。激光光源是光纤激光器，具有PZT协调功能。此激光器以高掺杂Er3+光纤为增益介质，采用光纤光栅法布里-珀罗腔选模的线性腔结构，产生线宽～2kHz的1550nm单频激光输出。光纤激光器的输出光束通过第一频移器和隔离器后，被第一Y型耦合器分为两部分，大部分激光功率作为窄线宽光源用于应用，另一小部分光用于稳频。第一频移器对激光进行频率调制的同时还起相位补偿的作用。用于稳频的光束通过X型耦合器进入不等臂Michelson光纤干涉仪：首先通过3dB X型耦合器的a端分成两束信号光，它们分别从耦合器c端和d端进入干涉仪的短、长臂中独立传播。短臂中的光束作为参考光经衰减器后被末端的第一法拉第旋转镜反射，沿原光路返回到X型耦合器的b端输出。长臂中的光束作为信号光由第二Y型耦合器的分支端e到合束端g并进入由第二法拉第旋转镜、第二Y型耦合器、第二频移器(频移40M)、延时光纤、光纤放大器、第三频移器(频移-39M)及第三个法拉第旋转镜组成的自循环延时环路。第二频移器和第三频移器分别是正、负声光频移器，信号光束在自循环光路中循环一次，延时0.5μs并频移2MHz。信号光在循环光路循环n次后，一部分光被第二法拉第旋转镜反射并由第二Y型耦合器的g端到e端返回到X型耦合器的输出端，最后和短臂中的参考光在X型耦合器的输出端--b端发生干涉，并通过光电探测器获得干涉拍频信号(如图2所示)。第二Y型耦合器的分光比直接影响的拍频信号的最大阶数，f端分光越多，获得的拍频阶数越多。而拍频阶数越高，鉴频精度越高，稳频系统的质量因子越高。实验中第二Y型耦合器的分支端f端和e端的分光比90:10。系统中所有的射频信号均来自于频率综合器。

延时光纤选择50m的单模光纤，当信号光在自循环光路中循环20 次时，相当于1km光纤的延时量。实现激光频率噪声的探测后，多阶拍频信号通过40MHz的带通滤波器，选取20阶拍频信号作为稳频的拍频信号。携带激光频率噪声的40MHz拍频信号通过频率综合器解调，得到的鉴频信号经过比例放大后反馈给光纤激光器，实现锁定。

为了降低环境噪声对干涉仪的影响，对缠有50m光纤的铝盘进行主动控温，然后整个光学装置放在包裹有保温棉的30*30*20cm隔音箱中并通过被动隔振台减小系统的振动敏感度。为了评价实验效果，对锁定后的基于光线干涉仪稳频的激光器与一台自主研制的Hz量级的腔稳超窄激光器进行拍频，结果如图3所示线宽约为50Hz。

在基于光纤的光学频率传递中,各种环境因素(如温度和振动等),会使传输光场的相位产生波动,等效于激光的频率噪声,为了补偿光纤传输链路的相位噪声,1994年马龙生小组提出了多普勒噪声抑制的方法.光纤相位噪声的测量主要基于相干探测技术.特别是在百公里级远程传递中,光源的相干性对光纤噪声的准确测量以及光纤噪声的有效抑制至关重要.实验中,将自主研制的窄线宽激光器应用于光学频率传递,在110km光纤盘上实现了5.2×10^-15/s的传递稳定度，较采用商用窄线宽激光器(NKT Koheras E15)时提高了2倍(实验结果如图4所示)。