CN103078241B - 全光纤激光噪声过滤装置 - Google Patents

Abstract

一种全光纤激光噪声过滤装置，包括光纤环行器（1）、第一光纤耦合器（2）、光纤延迟线（3）、光纤相位调节器（4）、第二光纤耦合器（5）、光纤反射镜（6）、光电探测器（7）和伺服系统（8）；激光从光纤环行器（1）的输入端口（A）进入，出射后经过第一光纤耦合器（2）分为两束，一束经过光纤延迟线（3），另一束经过光纤相位调节器（4），而后均进入第二光纤耦合器（5）并发生干涉，出射的相长干涉光束被光纤反射镜（6）反射回原光路，最后从光纤环行器（1）的输出端口（B）出射；该装置可以高效过滤较高功率激光光场的额外起伏噪声，特别是低频段的噪声，且装置结构紧凑，稳定性好。

Description

全光纤激光噪声过滤装置

技术领域

本发明涉及光学精密测量和量子光学、量子信息领域，具体是一种全光纤激光噪声过滤装置。

背景技术

在光学精密测量领域，如引力波探测、频率调制光谱技术等，以及量子光学，量子信息领域，如非经典量子态制备、量子密码等，都需要用到高性能的单频激光光源。利用达到标准量子噪声极限的激光光场作为光源，将会极大改善光学精密测量的测量精度，提高量子光学、量子信息领域中纠缠态光场的纠缠度等。通常的单频激光器输出的激光光场并非理想的相干态光场，而是存在着高于标准量子噪声极限的额外起伏噪声。例如，对于Nd:YAG固体激光器和Er掺杂光纤激光器等，在低频范围（MHz）就存在着很大的激光弛豫振荡噪声，因此需要对该起伏噪声进行有效的过滤和改善，使其接近或达到标准量子噪声极限。光电负反馈技术可以用来实现激光噪声在低频范围的抑制，其原理是对激光器输出激光的一小部分进行光电探测，然后将测量到的电信号以适当的增益和相位反馈到激光器的泵浦二极管的驱动电流上，对激光的强度进行主动控制，从而实现激光强度噪声的抑制。该方法的不足之处是装置较复杂，需要对激光器本身进行干预和操作，稳定性不高，而且不能获得标准量子噪声极限的输出激光。

窄线宽无源腔技术是实现激光噪声抑制的另一类有效方法，该方法不需要对激光器本身进行任何干预和操作，同时还能实现标准量子噪声极限的输出激光。Nguyen等人[M.B.Gray，J.H.Chow，K.McKenzie,andD.E.McClelland,IEEE Photon.Technol.Lett.19,1063(2007)]利用基于光纤的环形谐振腔方案对单频光纤激光器输出激光的额外起伏噪声进行了过滤，该方案具有装置小型化、稳定性好和低成本的特点，有效解决了采用常规体光学器件的缺点：需要昂贵的高反射率腔镜、庞大的真空设备及复杂的腔长锁定装置等。该方案的不足之处是：光纤谐振腔存在着相对较大的内腔损耗，难以获得高的精细度，为了得到极窄的线宽，就需要采用很长的光纤（百米量级），此时，光纤谐振腔内的非线性效应-受激布里渊散射就会对入射激光功率造成很大限制，使得有效的入射激光功率只能在百微瓦量级，大大限制了该方案在较高激光功率情况下的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全光纤激光噪声过滤装置，该装置采用全光纤器件，入射激光往返两次经过全光纤的非平衡马赫曾德干涉仪，使得特定频率范围内的激光起伏噪声能得到高效过滤，本发明装置适合于较高功率激光光场的额外噪声在特定低频范围内的过滤和抑制，且装置结构紧凑、小型化、稳定性好、成本较低。

本发明提供的一种全光纤激光噪声过滤装置，包括光纤环行器、第一光纤耦合器、光纤延迟线、光纤相位调节器、第二光纤耦合器、光纤反射镜、光电探测器和伺服系统；激光从光纤环行器的输入端口A进入，出射后经过第一光纤耦合器分为两束，一束经过光纤延迟线，另一束经过光纤相位调节器，而后均进入第二光纤耦合器并发生干涉，出射的相长干涉光束被光纤反射镜反射回原光路，最后从光纤环行器的输出端口B出射；光电探测器对第二光纤耦合器相消干涉端口的光场进行测量，将测量信号输入伺服系统，伺服系统对测量信号进行解调得到误差信号，并将误差信号反馈到光纤相位调节器上，实现两激光光束在第二光纤耦合器上相长干涉的相位锁定；

所述的光纤为单模保偏光纤；

所述的第一光纤耦合器和第二光纤耦合器的耦合分束比均为1比1；

所述的光纤延迟线的长度按以下公式计算：

L=c/(2nf)    （I）

其中，L是光纤延迟线的长度，c是真空中的光速，n是光纤纤芯在入射激光波长处的折射率，f是噪声过滤的频率。

所述的光纤延迟线可置于密闭的隔振容器内。

所述的光纤相位调节器采用在压电陶瓷上紧密缠绕光纤，利用压电效应改变光纤的长度来实现光场相位的调节。

与现有技术相比，本发明的优点和效果：

本发明全光纤激光噪声过滤装置，其所有光学器件均采用单模保偏光纤器件，从而简化了各个组成部件之间的光束耦合、模式匹配以及偏振控制问题，具有结构紧凑，小型化、稳定性好，成本较低的特点。

本发明全光纤激光噪声过滤装置，不需要利用光纤谐振腔技术，在很大程度上减弱了光纤内部的受激布里渊散射噪声，适合于较高功率激光的噪声过滤。

本发明全光纤激光噪声过滤装置，入射激光往返两次穿过同一个全光纤非平衡马赫曾德干涉仪，不但可以对入射激光的额外噪声进行高效过滤，而且结构紧凑。

附图说明

图1全光纤激光噪声过滤装置示意图

图2激光光场的噪声功率谱，a为入射激光光场的强度噪声功率谱，b为出射激光光场的强度噪声功率谱。

具体实施方式

一种全光纤激光噪声过滤装置，如图1所示，包括光纤环行器1、第一光纤耦合器2、光纤延迟线3、光纤相位调节器4、第二光纤耦合器5、光纤反射镜6、光电探测器7和伺服系统8；激光从光纤环行器1的输入端口A入射（入射激光由1550纳米单频光纤激光器提供，该激光光场在低频处具有很高的弛豫振荡噪声，当分析频率大于50MHz时才能达到标准量子噪声极限），出射后进入第一光纤耦合器2，该光纤耦合器的耦合分束比为1:1（OZ Optics公司的FUSED-12-1550-8/125-50/50）。分束后的两束激光分别经过光纤延迟线3和光纤相位调节器4后进入第二光纤耦合器5并发生干涉，光纤延迟线3由长度为83米的1550单模保偏光纤构成，并置于有机玻璃罩内进行密封隔振，光纤延迟线3的长度是根据公式（I）和参数：c=3×10⁸m/s，n=1.445，f=1.25MHz计算得到。光纤相位调节器4采用将光纤紧密缠绕在压电陶瓷上，通过压电效应改变光纤的长度来实现光场相位在0到2π弧度范围的变化，使得入射第二光纤耦合器5的两束激光能够发生相长干涉，第二光纤耦合器5的耦合分束比为1:1（OZ Optics公司的FUSED-22-1550-8/125-50/50）。发生相长干涉的出射光束被光纤反射镜6反射回原光路，最后从光纤环行器的输出端口B出射。

伺服系统8通过光纤相位调节器4对激光相位进行频率为5kHz的微弱正弦调制，光电探测器7对第二光纤耦合器5相消干涉端口出射的含有调制信号的激光进行探测，并将测量到的电信号输入伺服系统8，伺服系统8对光电探测器7的测量信号进行解调得到误差信号，并将误差信号反馈到光纤相位调节器4上，实现两激光光束在第二光纤耦合器5上相长干涉的相位锁定。

上述装置中所有光纤器件的光纤均为1550纳米单模保偏光纤。

图2是实验测量的1550纳米激光光场的强度噪声功率谱。a为1550纳米单频光纤激光器输出激光光场的强度噪声功率谱，相应的激光功率为5毫瓦，可以看出在1.5MHz附近分析频率处激光光场存在着很大的弛豫振荡峰。入射激光光场经本发明装置进行噪声过滤后，相应的出射激光光场的强度噪声功率谱为图2所示的b曲线，可以明显看出，经噪声过滤后，1550纳米激光光场的强度噪声起伏功率在1.25MHz、3.75MHz、6.25MHz等频率间隔约为2.5MHz的分析频率处得到有效的过滤和抑制。

Claims (3)

1.一种全光纤激光噪声过滤装置，其特征在于，包括光纤环行器（1）、第一光纤耦合器（2）、光纤延迟线（3）、光纤相位调节器（4）、第二光纤耦合器（5）、光纤反射镜（6）、光电探测器（7）和伺服系统（8）；激光从光纤环行器（1）的输入端口（A）进入，出射后经过第一光纤耦合器（2）分为两束，一束经过光纤延迟线（3），另一束经过光纤相位调节器（4），而后均进入第二光纤耦合器（5）并发生干涉，出射的相长干涉光束被光纤反射镜（6）反射回原光路，最后从光纤环行器（1）的输出端口（B）出射；光电探测器（7）对第二光纤耦合器（5）相消干涉端口的出射光场进行测量，将测量信号输入伺服系统（8），伺服系统（8）对测量信号进行解调得到误差信号，并将误差信号反馈到光纤相位调节器（4）上，实现两激光光束在第二光纤耦合器（5）上相长干涉的相位锁定；所述的光纤为单模保偏光纤；

所述的第一光纤耦合器（2）和第二光纤耦合器（5）的耦合分束比均为1比1；

所述的光纤延迟线（3）的长度由公式L=c/(2nf)计算得出，其中，L是光纤延迟线的长度，c是真空中的光速，n是光纤纤芯在入射激光波长处的折射率，f是噪声过滤的频率。

2.如权利要求1所述的一种全光纤激光噪声过滤装置，其特征在于，所述的光纤延迟线（3）置于密闭的隔振容器内。

3.如权利要求1所述的一种全光纤激光噪声过滤装置，其特征在于，所述的光纤相位调节器（4）是采用在压电陶瓷上紧密缠绕光纤。