本發(fā)明屬于激光器技術領域，涉及一種光纖激光器，尤其是一種用于光頻傳遞的全光纖化窄線寬光纖激光裝置及方法。

背景技術：

窄線寬激光具有極低相位噪聲和優(yōu)異的相干長度，在科學研究和技術領域中有著重要且廣泛的應用：如光鐘、高精密光譜、以及時間頻率傳遞等。在傳遞精度最高的光纖時間頻率傳遞領域，通信波段窄線寬激光器是實現超遠距離超高精度光學頻率傳遞的重要保證。隨著稀土摻雜光纖的迅猛發(fā)展，商用光纖激光器的線寬能到kHz量級，但仍難滿足超高精度長距離頻率傳遞的要求，因此需要研制具有通信波段的低噪聲窄線寬激光裝置。

目前，國際上主要采用了以高精細度光學腔為頻率參考，通過PDH穩(wěn)頻技術實現Hz量級的窄線寬激光器。2012年，德國PDB研究小組將長度為210mm的單晶硅參考腔置于溫度為124k的工作環(huán)境中，將1550nm的光纖激光器的線寬壓窄到40mHz。但這種方案需要光學器件在自由空間內嚴格組建以及空間模式的良好匹配等，特別是高精細度參考腔價格比較昂貴、體積大而且對工作環(huán)境要求非?？量獭＿@些因素限制腔穩(wěn)激光在實際工程中的應用。隨著光纖技術的廣泛應用，通過光纖延時線配合嚴密的封裝可以實現干涉儀光程差的穩(wěn)定，而雙光束干涉穩(wěn)頻技術的鑒頻精確度取決于光程差的高穩(wěn)定性，所以這種穩(wěn)頻技術得到了很大的發(fā)展。利用光纖干涉儀反饋方式實現窄線寬激光的新方法具有技術指標高、抗干擾能力強、易于集成化、成本低等優(yōu)勢，是光纖光學頻率信號傳遞、特別是時間頻率傳遞中繼站用光源的理想選擇。1989年Ying T. Chen首次提出一種利用單模光纖組成的M-Z干涉儀穩(wěn)定氦氖激光器的頻率，實現激光線寬的壓窄。但在這種M-Z干涉儀穩(wěn)定激光方案中，干涉儀采用普通低雙折射單模光纖,其傳輸特性容易受外界環(huán)境的影響,容易引起干涉儀輸出信號可見度發(fā)生變化，從而影響鑒頻精確度和穩(wěn)頻結果。2006年，東京大學的Kakeru Takahashi等人利用Michelson光纖干涉儀，實現光纖激光器在1Hz處頻率噪聲譜密度低于20Hz/√Hz。2015年，Jing Dong等人采用類似的方案，選用延時光纖為1km的Michelson光纖干涉儀，，實現光纖激光器在1Hz處頻率噪聲譜密度低于-1dB Hz²/Hz。但此方案需要對整個干涉儀進行主動控溫，抗振等，而且1km長光纖需放置于低真空腔室隔離。這些比較苛刻實驗條件，不利于其在實際工程中的應用。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供一種用于光頻傳遞的全光纖化窄線寬光纖激光裝置及方法，其在不降低干涉儀鑒頻精度的條件下，能夠縮短延時光纖的長度，提高鑒頻精度、降低成本且可搬運。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現的：

這種用于光頻傳遞的全光纖化窄線寬光纖激光裝置：包括激光器、第一頻移器、隔離器、第一Y型耦合器、X型耦合器、衰減器、第一法拉第旋轉鏡、第二Y型耦合器、第二法拉第旋轉鏡、第二頻移器、延時光纖、光纖放大器、第三頻移器、第三法拉第旋轉鏡、光電探測器、帶通濾波器、示波器以及頻率綜合器；

所述激光器通過光纖依次連接第一頻移器、隔離器和第一Y型耦合器；所述第一Y型耦合器有兩個分支端，第一分支端用于窄線寬光源輸出，第二個分支端用于穩(wěn)頻；所述第一Y型耦合器的穩(wěn)頻端口連接X型耦合器的輸入端口a端；所述X型耦合器的輸出端口c端依次連接衰減器和第一法拉第旋轉鏡，所述X型耦合器的輸出端口d端連接至第二Y型耦合器的分支端e端；

所述第二Y型耦合器的總端g端連接至第二法拉第旋轉鏡，所述第二Y型耦合器的分支端f端與第二頻移器連接；所述第二法拉第旋轉鏡、第二Y型耦合器、第二頻移器、延時光纖、光纖放大器、第三頻移器及第三法拉第旋轉鏡通過光纖依次連接形成自循環(huán)閉合環(huán)路；

所述X型耦合器的反射輸出端b連接至光電探測器，光電探測器的輸出端通過帶通濾波器連接到頻率綜合器的輸入端；所述頻率綜合器對光信號進行鑒頻，并通過輸出端口反饋到激光器和第一頻移器的調制端口；所述示波器的輸入端分別與光電探測器和頻率綜合器的輸出端口連接。

進一步，上述激光器為光纖激光器。

進一步，以上光纖放大器為雙向摻鉺光纖放大器。

進一步，所述激光器具有PZT協(xié)調功能；所述第一頻移器頻移值40MHz，耦合效率62％，對激光進行頻率調制的同時還起相位補償的調制的作用；第一Y型耦合器的分光比為90:10；隔離器的隔離度為30dB；所述X型耦合器的分光比為50:50；所述第二Y型耦合器為定向1*2耦合器；所述第一法拉第旋轉鏡、第二法拉第旋轉鏡和第三法拉第旋轉鏡的旋轉角度均為45度。所述第二頻移器由一個正聲光頻移器構成，頻移值40MHz；所述光纖放大器的增益可調；所述第三頻移器由一個負聲光頻移器構成，頻移值-39MHz；所述光電探測器為InGaAs PN探測器。

進一步，上述激光器線寬Δν為2kHz，中心波長1550nm。

進一步，上述第二Y型耦合器的f端和e端的分光比為90:10。

進一步，上述光纖放大器的最大增益為40dB，最小輸入功率為-20dBm，最大噪聲5dB。

本發(fā)明還提出一種基于上述用于光頻傳遞的全光纖化窄線寬光纖激光裝置的光頻傳遞方法，包括以下步驟：

1)激光器的輸出光束通過第一頻移器和隔離器后，被第一Y型耦合器分為兩部分，一部分激光功率作為窄線寬光源輸出，另一部分光用于穩(wěn)頻；用于穩(wěn)頻的光束通過X型耦合器分成兩路：一路光作為參考光，經衰減器后被末端的第一法拉第旋轉鏡反射，沿原光路返回到X型耦合器的b端輸出；另一路光作為信號光由第二Y型耦合器的分支端e進入自循環(huán)閉合環(huán)路；信號光束在自循環(huán)閉合環(huán)路中循環(huán)一次，延時2τ并頻移2(α-β)MHz；信號光在自循環(huán)閉合環(huán)路中循環(huán)n次后，一部分延時光被第二法拉第旋轉鏡反射并由第二Y型耦合器的g端進入e端并返回到X型耦合器的b端輸出，最后和短臂中的參考光在X型耦合器的b端發(fā)生干涉，并通過光電探測器獲得多階干涉拍頻信號；

2)實現激光頻率噪聲的探測后，多階拍頻信號通過帶通濾波器，選取某一高階拍頻信號作為穩(wěn)頻的拍頻信號，所述拍頻信號通過頻率綜合器相位鑒別獲得誤差信號，最后通過伺服系統(tǒng)反饋到激光器和第一頻移器的調制端口，實現激光器線寬壓窄和穩(wěn)定度提高；其中，快速的頻率調整由驅動第一頻移器的壓控振蕩器來提供。

進一步，上述用于光頻傳遞的全光纖化窄線寬光纖激光裝置放在包裹有保溫棉的隔音箱中，并通過被動隔振臺減小振動敏感度。

本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明的核心部件(延時光纖盤)小型化。利用兩個法拉第鏡構成的自循環(huán)光路，使延時光多次循環(huán)經過同一延時光纖，非常有效減小延時光纖的長度，從而降低穩(wěn)頻系統(tǒng)對外界的敏感度。

(2)本發(fā)明的鑒頻精度高：采用改進的不等臂光纖干涉儀，無需偏振控制器，偏振態(tài)穩(wěn)定，消除了拍頻信號的偏振衰落。

3.本發(fā)明光學系統(tǒng)全光纖化，各光纖元件熔接相連，無需光學器件在自由空間內嚴格組建，具有抗干擾能力強、成本低、易于集成化等優(yōu)勢。

附圖說明

圖1是全光纖化窄線寬光纖激光裝置的結構示意圖；

圖2是探測器獲得的多階干涉拍頻信號；

圖3是激光線寬的拍頻結果；

圖4是110km實驗室光纖頻率傳遞系統(tǒng)穩(wěn)定度測量。

其中，1激光器；2第一頻移器；3隔離器；4第一Y型耦合器；5X型耦合器；6衰減器；7第一法拉第旋轉鏡；8第二Y型耦合器；9第二法拉第旋轉鏡；10第二頻移器；11延時光纖；12光纖放大器；13第三頻移器；14第三法拉第旋轉鏡；15光電探測器；16帶通濾波器；17示波器；18頻率綜合器。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述：

參見圖1：本發(fā)明用于光頻傳遞的全光纖化窄線寬光纖激光裝置，包括激光器1、第一頻移器2、隔離器3、第一Y型耦合器4、X型耦合器5、衰減器6、第一法拉第旋轉鏡7、第二Y型耦合器8、第二法拉第旋轉鏡9、第二頻移器10、延時光纖11、光纖放大器12、第三頻移器13、第三法拉第旋轉鏡14、光電探測器15、帶通濾波器16、示波器17 以及頻率綜合器18。連接關系如下：

激光器1通過光纖依次連接第一頻移器2、隔離器3和第一Y型耦合器4；所述第一Y型耦合器4有兩個分支端，第一分支端用于窄線寬光源輸出，第二個分支端用于穩(wěn)頻；所述第一Y型耦合器4的穩(wěn)頻端口連接X型耦合器5的輸入端口a端；所述X型耦合器5的輸出端口c端依次連接衰減器6和第一法拉第旋轉鏡7，所述X型耦合器5的輸出端口d端連接至第二Y型耦合器8的分支端e端；

第二Y型耦合器8的總端g端連接至第二法拉第旋轉鏡9，所述第二Y型耦合器8的分支端f端與第二頻移器10連接；所述第二法拉第旋轉鏡9、第二Y型耦合器8、第二頻移器10、延時光纖11、光纖放大器12、第三頻移器13及第三法拉第旋轉鏡14通過光纖依次連接形成自循環(huán)閉合環(huán)路；

X型耦合器5的反射輸出端b連接至光電探測器15，光電探測器15的輸出端通過帶通濾波器16連接到頻率綜合器18的輸入端；所述頻率綜合器18對光信號進行鑒頻，并通過輸出端口反饋到激光器1和第一頻移器2的調制端口；所述示波器17的輸入端分別與光電探測器15和頻率綜合器18的輸出端口連接。

本發(fā)明的激光器1為光纖激光器。光纖放大器12為雙向摻鉺光纖放大器。

基于上述裝置，本發(fā)明實現全光纖化窄線寬光纖激光裝置的具體步驟如下：

1)光纖激光器1的輸出光束通過第一頻移器2和隔離器3后，被第一Y型耦合器4分為兩部分，大部分激光功率作為窄線寬光源輸出，另一小部分光用于穩(wěn)頻。用于穩(wěn)頻的光束通過3dB X型耦合器5分成兩路：一路光作為參考光，經衰減器6后被末端的第一法拉第旋轉鏡7反射，沿原光路返回到X型耦合器5的b端輸出；另一路光作為信號光由第二Y型耦合器8的分支端e進入自循環(huán)閉合環(huán)路中循環(huán)。自循環(huán)閉合環(huán)路由第二法拉第旋轉鏡9、第二Y型耦合器8、第二頻移器(頻移量α)10、延時光纖(延時τ)11、光纖放大器12、第三頻移器(頻移量-β)13及第三法拉第旋轉鏡14通過光纖依次連接形成。信號光束在自循環(huán)閉合環(huán)路中循環(huán)一次，延時2τ并頻移2(α-β)MHz。信號光在自循環(huán)閉合環(huán)路中循環(huán)n(n為自然數)次后，一部分延時光被第二法拉第旋轉鏡9反射并由第二Y型耦合器8的g端進入e端并返回到X型耦合器5的b端輸出，最后和短臂中的參考光在X型耦合器5的b端發(fā)生干涉，并通過光電探測器15獲得多階干涉拍頻信號。

2)實現激光頻率噪聲的探測后，多階拍頻信號通過帶通濾波器16，選取某一高階拍頻信號作為穩(wěn)頻的拍頻信號。此拍頻信號通過頻率綜合器18相位鑒別獲得誤差信號,最后通過伺服系統(tǒng)反饋到激光器1和第一頻移器2的調制端口，實現激光器1線寬壓窄和穩(wěn)定度提高。其中，激光器1的壓電調制器提供大范圍的頻率調整但響應速度偏低，快速的頻率調整由驅動第一頻移器2的壓控振蕩器來提供。

本發(fā)明的光頻傳遞時，為了降低環(huán)外噪聲(如聲音、振動、溫度、氣流等噪聲)對系統(tǒng)的干繞，整個光學裝置放在包裹有保溫棉的隔音箱中并通過被動隔振臺減小系統(tǒng)的振動敏感度。

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步詳細說明，但本發(fā)明不限于該實施例表述的范圍。

實施例：

如附圖1所示，本實施例中用于光頻傳遞的窄線寬激光系統(tǒng)由以下部件組成：

光纖激光器：具有PZT協(xié)調功能，線寬Δν約為2kHz，中心波長1550nm；

頻移器1：頻移值40MHz，耦合效率62％，對激光進行頻率調制的同時還起相位補償的調制的作用；

第一Y型耦合器：分光比90:10，大部分激光用于光頻傳遞；

隔離器：隔離度30dB，防止光反饋對激光器的干繞；

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。分光比直接影響的拍頻信號的最大階數，f端分光越多，獲得的拍頻階數越多；

衰減器：調節(jié)光路的光功率，同時減小光纖環(huán)路中光纖噪聲(如寄生噪聲)；

法拉第旋轉鏡：旋轉角度45度，它能將反射光的偏振正好抵消入射光的偏振態(tài)變化，所以光束的偏振狀態(tài)與傳導光纖雙折射特性無關，從而實現光纖干涉儀的偏振不敏感；

第二頻移器：由一個正聲光頻移器構成，頻移值40MHz；

光纖盤：干涉儀的核心部件，延時光纖越長干涉儀鑒頻能力越強，，穩(wěn)頻系統(tǒng)的質量因子越高。。光纖長度50m，延時0.25μs，在自循環(huán)光路中往返循環(huán)一次延時0.5μs。光纖通過對稱形式繞制在鋁制光纖盤上；

雙向摻鉺光纖放大器(EDFA)：增益可調，最大增益40dB,最小輸入功率-20dBm，最大噪聲5dB，用于補償激光經自循環(huán)光路時的功率損耗；

第三頻移器：由一個負聲光頻移器構成，頻移值-39MHz。光束在自循環(huán)光路中循環(huán)一次，光頻移2*(40-39)＝2MHz；

光電探測器：帶寬約400MHz，InGaAs PN探測器；

頻率綜合器：為三個頻移器提供射頻信號，同時可對拍頻信號進行解調，為激光鎖定提供鑒頻信號；

示波器：監(jiān)測拍頻信號和鑒頻信號。

實驗裝置示意圖如圖1所示。激光光源是光纖激光器，具有PZT協(xié)調功能。此激光器以高摻雜Er3+光纖為增益介質，采用光纖光柵法布里-珀羅腔選模的線性腔結構，產生線寬～2kHz的1550nm單頻激光輸出。光纖激光器的輸出光束通過第一頻移器和隔離器后，被第一Y型耦合器分為兩部分，大部分激光功率作為窄線寬光源用于應用，另一小部分光用于穩(wěn)頻。第一頻移器對激光進行頻率調制的同時還起相位補償的作用。用于穩(wěn)頻的光束通過X型耦合器進入不等臂Michelson光纖干涉儀：首先通過3dB X型耦合器的a端分成兩束信號光，它們分別從耦合器c端和d端進入干涉儀的短、長臂中獨立傳播。短臂中的光束作為參考光經衰減器后被末端的第一法拉第旋轉鏡反射，沿原光路返回到X型耦合器的b端輸出。長臂中的光束作為信號光由第二Y型耦合器的分支端e到合束端g并進入由第二法拉第旋轉鏡、第二Y型耦合器、第二頻移器(頻移40M)、延時光纖、光纖放大器、第三頻移器(頻移-39M)及第三個法拉第旋轉鏡組成的自循環(huán)延時環(huán)路。第二頻移器和第三頻移器分別是正、負聲光頻移器，信號光束在自循環(huán)光路中循環(huán)一次，延時0.5μs并頻移2MHz。信號光在循環(huán)光路循環(huán)n次后，一部分光被第二法拉第旋轉鏡反射并由第二Y型耦合器的g端到e端返回到X型耦合器的輸出端，最后和短臂中的參考光在X型耦合器的輸出端--b端發(fā)生干涉，并通過光電探測器獲得干涉拍頻信號(如圖2所示)。第二Y型耦合器的分光比直接影響的拍頻信號的最大階數，f端分光越多，獲得的拍頻階數越多。而拍頻階數越高，鑒頻精度越高，穩(wěn)頻系統(tǒng)的質量因子越高。實驗中第二Y型耦合器的分支端f端和e端的分光比90:10。系統(tǒng)中所有的射頻信號均來自于頻率綜合器。

延時光纖選擇50m的單模光纖，當信號光在自循環(huán)光路中循環(huán)20 次時，相當于1km光纖的延時量。實現激光頻率噪聲的探測后，多階拍頻信號通過40MHz的帶通濾波器，選取20階拍頻信號作為穩(wěn)頻的拍頻信號。攜帶激光頻率噪聲的40MHz拍頻信號通過頻率綜合器解調，得到的鑒頻信號經過比例放大后反饋給光纖激光器，實現鎖定。

為了降低環(huán)境噪聲對干涉儀的影響，對纏有50m光纖的鋁盤進行主動控溫，然后整個光學裝置放在包裹有保溫棉的30*30*20cm隔音箱中并通過被動隔振臺減小系統(tǒng)的振動敏感度。為了評價實驗效果，對鎖定后的基于光線干涉儀穩(wěn)頻的激光器與一臺自主研制的Hz量級的腔穩(wěn)超窄激光器進行拍頻，結果如圖3所示線寬約為50Hz。

在基于光纖的光學頻率傳遞中,各種環(huán)境因素(如溫度和振動等),會使傳輸光場的相位產生波動,等效于激光的頻率噪聲,為了補償光纖傳輸鏈路的相位噪聲,1994年馬龍生小組提出了多普勒噪聲抑制的方法.光纖相位噪聲的測量主要基于相干探測技術.特別是在百公里級遠程傳遞中,光源的相干性對光纖噪聲的準確測量以及光纖噪聲的有效抑制至關重要.實驗中,將自主研制的窄線寬激光器應用于光學頻率傳遞,在110km光纖盤上實現了5.2×10^-15/s的傳遞穩(wěn)定度，較采用商用窄線寬激光器(NKT Koheras E15)時提高了2倍(實驗結果如圖4所示)。