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制造方法及图纸

本发明专利技术公开了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，本发明专利技术的装置包括激光器、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。本发明专利技术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。

All fiber narrow linewidth fiber laser device and method for optical frequency transmission

The invention discloses an all fiber narrow linewidth fiber laser device and method of optical frequency transfer, the device of the invention comprises a first laser, frequency shifter, isolator, the first Y type coupler, X coupler, attenuator, first Faraday rotation mirror, second Y coupler, second Faraday rotation mirror, second the frequency shifter, optical fiber delay, optical fiber amplifier, a third frequency shifter, third Faraday rotation mirror, photoelectric detector, band-pass filter, oscilloscope and frequency synthesizer. Under the condition that the frequency discrimination accuracy of the interferometer is not decreased, the length of the delay optical fiber can be shortened, the frequency discrimination precision is improved, the cost is reduced, and the utility model can be carried.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于激光器
，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。
技术介绍
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
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YingT.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KakeruTakahashi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，JingDong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-1dBHz2/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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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InGaAsPN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。本专利技术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。本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术的核心部件(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)本专利技术的鉴频精度高：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.本专利技术光学系统全光纤化，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于光频传递的全光纤化窄线宽光纤激光装置，其特征在于，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)；所述激光器(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；所述第二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；所述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。...

【技术特征摘要】
1.一种用于光频传递的全光纤化窄线宽光纤激光装置，其特征在于，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)；所述激光器(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；所述第二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；所述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。2.根据权利要求1所述的用于光频传递的全光纤化窄线宽光纤激光装置，其特征在于，所述激光器(1)为光纤激光器。3.根据权利要求1所述的用于光频传递的全光纤化窄线宽光纤激光装置，其特征在于，光纤放大器(12)为双向掺铒光纤放大器。4.根据权利要求1-3任意一项所述的用于光频传递的全光纤化窄线宽光纤激光装置，其特征在于，所述激光器(1)具有PZT协调功能；所述第一频移器(2)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(4)的分光比为90:10；隔离器(3)的隔离度为30dB；所述X型耦合器(5)的分光比为50:50；所述第二Y型耦合器(8)为定向1*...

【专利技术属性】
技术研发人员：高静，刘涛，焦东东，邓雪，臧琦，董瑞芳，张首刚，
申请(专利权)人：中国科学院国家授时中心，
类型：发明
国别省市：陕西,61