基于本地测量的双向光学相位比对方法

为了更好地实现远程光钟之间的高精度比对,对意大利Calosso小组所提出的光纤双向光学相位比对方案进行了拓展,提出了一种基于本地测量的双向光学相位比对方法。同源的两路光信号从同一光纤两端注入,其中一路光信号经光纤传输到远端后经反射原路返回本地端,另一路光信号从远端经光纤传输至本地端。两个信号均在本地端与参考光进行拍频,将拍频得到的两路拍频信号的相位进行比对。利用这种结构,系统不需要有源光纤相位噪声补偿也可以消除叠加在光纤链路上的共模相位噪声,该结构的最大优势在于拍频信号的采集和处理均可以在本地端完成,不需要引入额外的时间同步信号来保证两地拍频信号采集同步进行,简化了实验系统。计算分析了该方案的相位噪声极限,并建立了基于60km缠绕光纤的示范系统来进行测试,测得其秒级频率稳定度为1.45×10~(-16),千秒稳定度达到1.51×10~(-19)。该方案有望用于远程光钟和其他原子钟之间更可靠的高精度频率比对。     

低功耗、小型化稳频激光系统的设计与实现

设计并实现了一种低功耗、小型化、可长期稳定运行的自动稳频激光系统。通过设计并实现高效率、低纹波的电压源,较大幅度地降低了整个系统的功耗和体积;通过设计并实现高性能温度控制电路、电流控制电路和稳频电路,得到了线宽较窄、频率稳定度较高的输出激光。该系统能够自动长期稳频,输出激光线宽约为1 MHz,稳定度指标为秒稳定度1.43×10~(-10),十秒稳定度3.90×10~(-11),百秒稳定度1.28×10~(-11),千秒稳定度2.25×10~(-11)。在稳定度略优于商用外腔半导体激光器的前提下,该激光系统电源体积缩小了约85%,整机功耗降低了约90%,为实现半导体稳频激光系统的低功耗和小型化提供了一种新的方案。     

远距离高稳定光纤频率传递技术研究

针对卫星导航系统对高稳定、远距离频率信号传递需求,对光纤频率传递技术原理进行了简要介绍,设计了基于电子相位补偿原理的光纤频率传递系统,并进行了实验验证。实验结果表明,通过单纤双向往返传输的相位补偿方案,实现了100 km光纤频率传递链路相位噪声的实时补偿,频率稳定度为1.13×10~(-14)@1 s,2.19×10~(-17)@10~(4 )s,抵消了光纤链路所处环境温度变化引入的附加相位噪声。     

采用级联方式在230km光纤链路中同时实现频率传递和时间同步（英文）

基于波分复用技术,通过级联方式在230 km光纤链路中实现了频率和时间的同传。该级联系统包含了150 km和80 km两级链路系统,其中为了补偿150 km光纤链路中的损耗,在链路中间放置了一个双向掺铒光纤放大器。当每一级传递系统通过光学补偿方式达到稳定后,整个级联系统的频率稳定度为3.1×10~(-14)(平均时间1 s时)和6.3×10~(-18)(平均时间104s时),时间稳定度为3.5 ps(平均时间102~104s时)。实验结果也证明,不管是对频率信号还是时间信号,都满足误差理论,整个系统的稳定度几乎等于两级链路稳定度的标准偏差。同时通过两级系统的校准,最后得到整个级联系统的时间同步准确度为90 ps。     

275km京沪光纤干线高精度时频传递研究

为实现准国土范围内高精度授时和守时,利用光纤传递铯钟、氢钟等高精度原子钟的时频信号,在实际光纤链路上验证其长距离传递性能。采用波分复用和双向双波长的传输方法,介绍了在275km京沪干线上实现高精度时频传递的相关工作。针对长距离光纤链路的特点,探讨了链路损耗与散射、色散与频率噪声、补偿系统动态范围和反馈带宽等对时频传递性能的影响。实验获得了频率信号的秒稳定度达5×10-14和天稳定度达7×10-18的传递性能,同时,千秒尺度下的时间方差可达2.4ps。     

基于超稳腔PDH稳频的280 mHz线宽DBR光纤激光器

利用超稳腔PDH(Pound-Drever-Hall)稳频技术,对自研的分布Bragg反射(DBR)单纵模光纤激光器稳频,获得亚赫兹线宽超稳激光的稳频结果。通过优化腔结构参数,辅以绝热封装和精密温控等措施,并在腔内设置可快速宽范围调谐激光频率的压电陶瓷(PZT),研制出了可满足超稳腔PDH稳频要求的自由运转DBR光纤激光器。基于腔长为10 cm、精细度为360000的超稳光腔频率为参考频率,PDH稳频后光纤激光器的1 s和100 s频率不稳定度分别达到了6×10~(-16)和8×10~(-15),频率噪声降低至8×10~(-3) Hz~2/Hz@1～10 Hz,激光线宽窄至280 mHz,由此表明研制的光纤激光器可用于构建亚赫兹线宽超稳激光光源。     

20kHz窄线宽光纤光栅外腔半导体激光器

采用多量子阱掩埋条形(BRS)增益芯片和拉锥光纤布拉格光栅(FBG),制作了1.5μm波段FBG外腔式窄线宽半导体激光器。封装后器件实现了全电流范围内稳定单模窄线宽激光输出。30~250 m A驱动电流下线宽小于15.48 k Hz,实测最小线宽为6.42 k Hz,频率稳定度为7.2×10-8/s,边模抑制比大于40 d B,最大出纤功率大于10 m W。这种集成窄线宽激光器性能优异,且制作成本低,工艺简单,适于批量生产,可应用于400 Gb/s相干通信系统的发射源与接收机本振源。     

我国研制出实用性相干光纤通讯激光信号源

南京工学院在北京大学和中国计量科学研究院协作下,在我国首次研究成功了1.52μm He-Ne激光相干光纤通信信号源。其指标为:单模输出功率0.45mW,频率稳定性为10~(-10)量级(1秒和10秒取样时间),二台激光器的拍频线宽小于1MHz,拍频漂移量小于1MHz,室温下连续工作24小时以上     

掺铒光纤光梳在锶晶格钟中的应用研究（英文）

为了测量87Sr原子光晶格钟的钟激光频率和控制红冷却激光及光晶格激光的绝对频率,实验建立了一套掺铒光纤光学频率梳系统,并将其锁定到了氢钟参考信号上。光梳的可见光测量部分对689、698及813 nm等特定波长功率进行了优化(在同一扩谱支路中不同时获得),其输出光谱功率大于120 m W,单点频率下的功率在2 nm宽度时大于200 m W。实验得到的外激光和光梳梳齿拍频信号信噪比大于30 d B(在分辨率带宽300 k Hz时观测),锁定后频率跟踪秒级稳定度优于60 m Hz。     

基于频移光学反馈的稳定微波频率传递

正提出了一种利用光学频率梳的非线性扩谱效应和波分复用(WDM)技术、不受节点反射影响的传输方案。该方案的设计原理如下:将重复频率为100 MHz的掺铒光纤被动锁模激光器(中心频率1560 m,带宽30 nm)锁定到铷原子钟后,在近端经过WDM的其中一个单通道(通道波长设定为λ_1),光谱带宽被滤波后为100 GHz,波长为λ_1的信号光作为向前传输的信号。信号光在远端通过另一个相同的WDM的λ_1通道进行下载,放大后功率约为19.8 mW.放大后信号光接入1 km长、在1550 nm处群速度色散为零的色散位移光纤(DSF),由于在DSF中1550 nm零群速度色散区域具有很强的四波混频(FWM)效应,输出光学频率梳的光谱得到展宽,然后再接入到远端WDM中相邻的λ_2通道形成环回,从远端WDM公共端返回的波长为λ_2的光信号返回近端的判别信号进行相位噪声比较。环路的相位噪声是将返回信号和近端参考信号进行鉴相来测量,并通过近端的移相器来补偿。通过鉴相器的16-bit A/D采集卡采样的输出电压来测量环外的光信号。实验中测得的系统传输秒稳定度为1.5×10~(-13)和1000 s的稳定度为1.7×10~(-16),这说明该系统中白相位噪声在系统传输噪声中占主导地位。由于实验中采用光学频率梳传输模式只是WDM一个窄带宽通道,这种新方案也展现出了光纤通信网络中的色散不敏感性和兼容性。     

采用射频调制实现对单频激光器频率噪声的抑制

在使用铷原子饱和吸收谱线作为激光频率参考进行稳频的激光稳频系统中,环路带宽是影响激光输出频率噪声的重要因素之一。对激光稳频系统中限制环路带宽的主要因素进行分析,使用射频调制信号直接调制商用外腔半导体激光器的高速电流调制端来对激光稳频系统的环路带宽进行拓展。根据对稳频环路的分析,合理设置反馈电路,实现激光稳频。使用低频谱分析仪对稳频后的鉴频信号进行分析,发现带宽拓展后,在傅里叶频率为5kHz处对频率噪声的抑制度达到了20dB以上。通过将该稳频激光器输出的激光与锁定在极稳恒温晶振上的飞秒光学频率梳进行拍频,测量了该稳频激光相对光梳的频率噪声,测量结果与直接分析鉴频信号的结果吻合。经过测量,通过拓展带宽抑制频率噪声,稳频激光器的短期频率稳定度得到改善。最后,测量了稳频激光相对于锁定在恒温晶振上的飞秒光学频率梳的频率稳定度,Allan方差在平均时间1s时达到4.52×10~(-12),在平均时间20s时达到1.65×10~(-12)。     

我国首次研制出实用性相干光纤通信激光信号源

南京工学院在北京大学和中国计量科学研究院协作下,在我国首次研究成功了 1.52μmH_e-N_e激光相干光纤通信信号源。其指标为:单模输出功率0.45mW,频率稳定性为10~(-10)量级(1秒和10秒取样时间),二台激光器的拍频线宽小于 1MHz,拍频漂移量小于 1MHz,室温下连续工作24 小时以上不跳模。其外     

基于拍频法的激光器数字化频率跟踪

为了在光纤双向时频传递系统往返链路中实现同波长传输，提出一种基于拍频法的激光器数字化频率跟踪技术，用于锁定系统中主、从两台分布式反馈激光器的频率。首先，采用光耦合器对两路激光信号进行合束，耦合后的合成光经拍频探测得到10 MHz的光学拍频信号；其次，将该信号和10 MHz正弦波信号进行混频并滤波后得到电学拍频信号，再对该电信号进行采样并由算法处理得到反馈电压值；最后以电流调谐的方式调节从激光器的波长，使其与主激光器的波长保持一致。实验结果表明：实验室50 km光纤时频传递系统连续运行60 h后时间同步百秒时差优于8 ps，相比未使用该技术的系统时间同步精度提高约36 ps。所提方案能够实现低成本激光器的频率跟踪，跟踪效果满足往返链路双向时延对称性要求。     

基于铷原子调制转移光谱技术的1560nm光纤激光器频率锁定研究

1560 nm窄线宽激光器作为光学C波段的重要波长成分,在光纤传感和激光雷达等领域有着广泛的应用,实现该波段的激光稳频对光谱学和精密测量具有重要意义。本文采用1560 nm窄线宽光纤激光器作为种子光源,倍频至780 nm波段后,利用调制转移光谱（MTS）将倍频光锁定在铷原子(⁸⁵Rb)D2线的3-4交叉峰上;并研究探测光和泵浦光功率比、调制解调信号的频率和幅值来优化MTS信号,最终同时实现1560 nm光纤激光器的频率锁定及780 nm的稳频输出。激光器稳频后与低噪声精密锁定的光学频率梳进行拍频,通过频率计测量拍频信号并进行Allan方差分析,积分时间为10 s时,相对频率稳定度为1.4×10^-11。     

自动稳频半导体激光器研究

实现了一种新的稳频方案。通过对饱和吸收信号进行检测,得到半导体激光器频率的变化量,利用温度粗调、电流细调的方法对半导体激光器进行稳频,根据此思路设计了基于单片机控制的稳频系统的硬件电路及软件辅助锁频程序。经实验验证,该系统实现了开机自动稳频,已经连续稳定工作超过180天,得到秒级稳定度4.57×10-11,千秒级稳定度3×10-12,近万秒级稳定度2.78×10-12的稳定度指标。为实现稳频半导体激光器的小型化和模块化提供了一种途径。     

环形激光测磁系统的信号检测与稳频

本文介绍了在环形激光测磁系统中使用共同的光电检测器和预放器检测磁场信号和激光频率漂移的方法,详细介绍了系统中所用的无静差数字式稳频器。磁场产生的拍频的测量精度可达到2×10~(-5)±1Hz,1秒钟采样时激光频率稳定度可达到5×10~(-9)。     

1.5 μm DFB半导体激光器HCN吸收稳频技术

在远距离相干测量系统中,分布反馈式半导体激光器（DFB-LD）以其直接高速调制特性、低成本、可批量生产等优势成为精密遥测系统的核心光源,因此对DFB-LD的窄线宽和短时频率稳定性提出了更高的要求。为了实现DFB-LD的频率稳定,通过边频锁定与光电反馈回路的方法将激光频率锁定在H13C14N气体吸收谱线1548.956 nm的一侧。将光电探测模块、后续误差信号生成与处理模块和激光器驱动模块集成在一块模拟电路板上,从而有效地降低了系统的噪声;使用除法器代替减法器来产生鉴频信号,大大提高了系统灵敏度和稳频精度;通过这两项技术的改进,将DFB-LD的秒级频率稳定度提高了两个数量级,从稳频前的秒级频率稳定度3.67 × 10?8提高到稳频后的秒级频率稳定度2.34×10?10。实验结果表明,该DFB-LD稳频方案具有高的稳频精度,且系统结构简单、体积小、可批量生产,适合于无人机机载应用场景,是远距离相干测量系统的理想光源。     

两台同类型号独立激光器频率稳定度的测量

采用拍频法对两台同类型号独立激光器的稳定度进行了测量。从拍频理论出发,得到了拍频信号稳定度与待测激光器和参考激光器稳定度三者所满足的平方和关系,对于稳定度一致的两台同类型号激光器,由拍频信号稳定度可以得到待测激光器的稳定度。实验中将New Focus公司生产的两台同类型号激光器(TLB-6017)进行拍频,根据拍频信号稳定度测得激光器稳定度为1.36×10-8,频率漂移量为5.1MHz(1s积分时间)。实验结果与激光器出厂指标[稳定度1×10-8、频率漂移量5MHz(1s积分时间)]相比,稳定度在同一量级,频率漂移量的相对误差为2%。此方法避免了通常测量激光器稳定度时所需的高稳定度参考光源的限制,为激光器稳定度的测量提供了一定的参考。     

采用级联方式实现430km高精度频率传递

通过级联方式在京沪光纤骨干网中实现了430km的高精度频率传递。该级联系统包含了280km和150km两级系统,同时为了补偿光纤损耗,在两级链路中采用了低噪声高对称的双向掺铒光纤放大器。当每一级传递系统通过光学补偿方式达到稳定后,整个级联系统引入的频率不稳定度为在1s处1.02×10-13和在104 s处8.24×10-17,实验结果验证了级联系统的实际结果与两级系统计算结果之间符合误差理论。     

2.5Gb/s×300km外调制光纤通信系统中PM-AM噪声对传输特性的影响

报导了使用LiNbO_3外调制器及2.5Gb／s×300km光纤传输系统的定验结果，使用国产DFB光源经过300km常规单模光纤传输后接收灵敏度为—30．2dBm（BER=10~(-10)）。根据实验结果分析，得出了在此外调制系统传输中影响系统性能的主要因素是由光源静态线宽中的光频分生产生的PM-AM转化噪声，文中还提出了针对性的解决办法。