基于光纤的光学频率传递研究

随着光钟研究的发展, 光钟的稳定度和不确定度均达到10^-18量级. 通过光纤可以实现光钟频率信号的高精度传输, 有望用于未来“秒”定义的复现. 演示了百公里级实验室光纤上的光学频率传递. 对于在实验室70 km光纤盘上实现的光频传递, 光纤相位噪声抑制在1-250 Hz傅里叶频率范围内均接近于光纤延时极限, 对应传输稳定度(Allan偏差)为秒级稳定度1.2×10^-15, 10000 s稳定度为1.4×10^-18. 实验室100 km光纤的光频传递秒级稳定度也达到了5×10^-15. 提出了光纤噪声用户端补偿的方案, 可以简化星形传递网络中心站的复杂度. 在25 km光纤上演示了该传递方案, 实现的传输稳定度接近传统前置补偿传递方案.     

用于光频传递的通信波段窄线宽激光器研制及应用

通信波段窄线宽激光器在基于光纤的光学频率传递中有着重要应用. 本文报道了1550 nm超窄线宽光纤激光器的研制及其在光学频率传递中的初步应用结果. 利用一台激光光源, 分别锁定到两个参考腔上(精细度分别为344000和296000), 锁定后经拍频比对测得单台激光线宽优于1.9 Hz, 秒级频率稳定度为1.7×10^-14, 优于国内同类报道. 将研制的超窄线宽激光器用于光纤光学频率传递, 在50 km光纤盘上实现了 7.5×10^-17/s的传递稳定度, 较采用商用光纤激光器提高了3.2倍.     

时间频率基准装置的研制现状

时间频率基准装置——铯原子喷泉钟, 在标准时间产生和保持、基础物理研究中发挥了重要的作用. 介绍了铯原子喷泉钟的工作原理, 对影响其性能的各项噪声源和频移项给出了分析, 影响频率稳定度性能的主要因素为Dick 效应相关的原子团装载时间、微波激励源相位噪声和探测激光的频率噪声, 影响频率不确定性能主要频移项为: 黑体辐射频移、冷原子碰撞频移、腔相位分布频移和微波泄露频移; 总结和比较了当前具有先进性能的铯原子喷泉钟采用的技术; 介绍了铯原子喷泉钟的主要应用方向、空间冷原子铯钟的研制情况和光学频率原子钟进展.     

Micro-fabrication process of vapor cells for chip-scale atomic clocks

As the key part of chip-scale atomic clocks(CSACs), the vapor cell directly determines the volume, stability,and power consumption of the CSAC. The reduction of the power consumption and CSAC volumes demands the manufacture of corresponding vapor cells. This overview presents the research development of vapor cells of the past few years and analyzes the shortages of the current preparation technology. By comparing several different vapor cell preparation methods, we successfully realized the micro-fabrication of vapor cells using anodic bonding and deep silicon etching. This cell fabrication method is simple and effective in avoiding weak bonding strengths caused by alkali metal volatilization during anodic bonding under high temperatures.Finally, the vapor cell D2 line was characterized via optical-absorption resonance. According to the results,the proposed method is suitable for CSAC.     

面向Li原子D1线频率测量应用的掺铒飞秒光纤光梳系统

报道了自主研制的面向Li原子D1线频率测量应用的掺铒飞秒光纤光学频率梳,包括飞秒激光源,频率探测及控制单元,光谱展宽及拍频单元.光纤光梳系统中飞秒激光光源是一套基于非线性偏振旋转锁模机制的掺铒飞秒光纤激光器,重复频率为196.5MHz,中心波长为1 572nm.利用f-2f法探测载波包络相移频率,获得信噪比约为40dB的信号(分辨率带宽300kHz).改变飞秒激光光源泵浦控制载波包络相移频率、频率稳定度是3.74×10-18/τ1/2;通过电光晶体和压电陶瓷改变飞秒激光光源腔长来控制重复频率frep、频率稳定度是1.75×10-13/τ1/2.利用高非线性光纤和倍频晶体将光纤光梳直接输出光谱由1 520～1 607nm扩展到671nm,获得了单模功率为208nW的光信号.与671nm单频激光拍频产生约为60dB(分辨率带宽1Hz)信号,满足Li原子D1线频率测量实验的需求.     

二维磁光阱产生铯原子束的数值模拟

通过分析铯原子在σ+-σ-组态的圆偏振光照射下塞曼子能级的分布情况,构造铯原子在二维磁光阱(2D-MOT)中的受力模型,利用龙格-库塔方法求解铯原子的运动方程,实现原子束产生过程的三维模拟。得出原子束流量随小孔半径、铯原子蒸汽压、激光光强、激光失谐量、磁场梯度等的变化规律。与实验数据进行比较表明受力模型的正确性, 该方法能直观模拟原子束的产生,准确揭示原子束流量随各项参数的变化规律,为实验提供理论指导。     

空间走离对量子光学频率梳压缩特性的影响

量子光学频率梳在量子计算、量子信息以及高精度量子测量等领域都有重要的价值,同步泵浦光学参量振荡器是制备量子光频梳最主要的手段.本文采用中心波长为815 nm、脉冲宽度为130 fs的锁模飞秒脉冲激光二次谐波泵浦Ⅰ类共线BiB₃O₆晶体以制备真空压缩态量子光频梳,给出了同步泵浦光学参量振荡器中空间走离效应对获得量子光频梳压缩度的影响.研究表明,随着晶体长度的增加,压缩度的增长会受到空间走离效应限制,经计算在晶体长度为1.49 mm时压缩达到最大.在此基础上,本文实验研究了在四种晶体长度下获得的真空压缩态量子光频梳的压缩特性,当BiB₃O₆长度为1.5 mm时获得了(3.6±0.2) dB的最大真空压缩,考虑损耗后为(7.0±0.2) dB,实验结果与理论分析相符.该研究揭示了飞秒脉冲光在非线性晶体中存在的空间走离效应是影响量子光频梳压缩特性的重要因素,为优化量子光频梳的实验测量提供了指导.     

基于1085 km实地光纤链路的双波长光纤时间同步研究

在长距离高精度光纤时间同步系统中,为了减少后向反射光与光纤色散对传输精度的影响,本文在双波长光纤时间同步传输方法之上,提出了一种具有色散误差修正功能的双波长光纤时间同步传输方法.以自行研制的工程样机在长度约为800 km的实验室光纤链路上和1085 km的实地光纤链路上进行了实验测试,也是国内首次实现千公里级实地光纤时间同步传输.在实验室光纤链路上,测得传输链路色散补偿后的色散时延误差为10 ps,时间同步标准差为5.7 ps,稳定度为1.12 ps@105 s,不确定度为18.4 ps.在实地光纤链路上,测得传输链路色散补偿后的色散时延误差为60 ps,时间同步标准差为18 ps,稳定度为5.4 ps@4×10⁴ s,不确定度为63.5 ps.     

光纤激光经过模清洁器后的强度噪声分析

对1560 nm单频光纤激光光源通过一个光学模清洁器后的强度噪声进行了分析研究.实验观察到模清洁器虽然对于激光的高频强度噪声有明显的抑制作用,但强度噪声特性随频率呈一定周期变化,且在低频处模清洁器对强度噪声有放大作用.本文认为这是由于模清洁器具有类似于光纤延迟线的时延效应,将激光源的部分相位噪声转化为强度噪声.通过理论分析,由相位噪声转化的相对强度噪声幅度与激光相干时间、模清洁器的平均延时参数以及分析频率相关.分析结果与实验测量结果符合良好.此外,通过在光路中加入声光调制器进行反馈调制,激光的线宽从26 kHz压窄至16 kHz,模清洁器的锁定质量明显提高,经过模清洁器后的激光强度噪声有所减小,与理论相符.该结果进一步证实了由相位噪声转化而来的强度噪声与模清洁器的锁定质量无直接关系.通过该研究,完善了光学模清洁器对激光的噪声抑制模型.     

Coherent Optical Frequency Transfer via a 490 km Noisy Fiber Link

We demonstrate the coherent transfer of an ultrastable optical frequency reference over a 490 km noisy field fiber link. The fiber-induced phase noise power spectrum density per-unit-length at 1 Hz offset frequency can reach up to 510 rad²·Hz^-1·km^-1, which is much higher than the fiber noise observed in previous reports. This extreme level of phase noise is mainly due to the fiber link laying underground along the highway. Appropriate phaselocked loop parameters ...