基于锶原子光钟比对的1542nm光纤传输链路研究

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高精准度的原子钟不仅仅在提高时间频率的测量精度方面有重要贡献,还为相关基础物理量的研究和测量提供了重要手段。近些年来,工作在光学频段的原子钟研究取得了重大进展,光钟的频率不确定度和精度能够达到很高的水平。未来国际单位制的“秒”极有可能通过光钟来复现,代替现有的铯原子喷泉钟。异地光钟的比对需要将钟激光进行远距离高精度地传输,光纤是目前最有效的传输媒介。但是窄线宽激光在光纤传输的过程中,复杂的外部环境会对光纤的特性(折射率、损耗等)产生明显的影响,进而会引起传输光学频率信号的相位发生随机性的改变。这就相当于在激光信号中引入了相位噪声,使得沿光纤链路传输的光学频率信号损失了原有的稳定度和精度。本文主要研究了基于锶原子光钟比对的1542 nm光纤传输链路。首先我们介绍了锶原子光钟对比的系统装置以及比对原理。其次我们对光纤传输链路中相位噪声产生的机制、光纤相位噪声对传输窄线宽激光的影响展开了介绍;同时阐述了我们实验方案中采用的主动抑制光纤传输链路中相位噪声的方法和原理。然后根据锶原子光钟比对系统中对光纤传输链路的要求,我们选定光、电元件并设计了一套全光纤型的相位噪声抑制系统,有效地抑制超窄超稳激光在光纤链路中传输引入的相位噪声,保证传输链路的传输稳定性。实验上,我们搭建了全光纤型的光纤传输链路相位噪声抑制系统。该系统是以迈克尔逊干涉仪为基本原理,将1542 nm超窄超稳激光(其线宽为0.6 Hz)沿光纤链路往返传输,然后与本地参考光进行外差拍频。由于迈克尔逊干涉仪参考臂和测量臂的相位不同,就可以探测到由光纤传输链路引入的相位噪声,最后采用精密锁相控制系统,伺服调节声光调制器,实现对链路中引入的相位噪声的主动补偿。实验观测了光纤传输链路噪声抑制系统的本底,并对系统进行一系列的优化以降低光纤传输链路噪声抑制系统的本底,提高抑制噪声的能力。其次我们分别对50 km、100 km、300 km、500 km的实验室内缠绕光纤进行传输实验,对相位噪声抑制前后的阿伦方差进行比较和分析,评估系统的光频传输稳定度。最后,将该系统用于中国计量科学研究院昌平院区与和平里院区的锶原子光钟比对工作中,对108 km城市商用光纤链路进行噪声抑制。实验结果表明:我们设计并搭建的全光纤型相位噪声抑制系统能够有效地抑制光纤链路中引入的相位噪声,保证光钟比对工作的顺利完成。
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