基于低噪声倍频绿激光的高稳定性水下频率传输技术研究

针对水下时空基准与分布式传感器网络对高精度频率传输的需求，研究人员提出了一种基于低噪声倍频绿激光的水下频率传输方案。通过将500 MHz微波信号调制至1018 nm窄线宽种子激光并倍频至509 nm，结合电子相位补偿技术，实现了8米水下链路的超稳定传输，频率不稳定性达5.5×10?14 @1 s，时间延迟波动仅288 fs。该技术为高性能氢钟等应用提供了关键支撑，填补了水下高精度频率传输领域的空白。

　　

海洋开发的深入使得水下时空基准与分布式传感器网络的建设成为迫切需求，而高精度水下频率传输是实现这一目标的核心技术之一。然而，与地面和空间传输相比，水下环境对电磁波的强衰减特性使得全球导航卫星系统（GNSS）无法直接应用。传统的水声同步技术虽能实现长距离传输，但精度仅达毫秒至纳秒级，难以满足高性能原子钟（如氢钟）对10^?14量级频率稳定性的要求。蓝绿激光因其“水下光窗”特性成为潜在解决方案，但现有研究多聚焦通信领域，且受限于激光器噪声和链路扰动，频率传输稳定性与光纤或自由空间相比仍有显著差距。

为解决这一问题，中国科学院的研究团队提出了一种创新性方案：将微波频率信号调制至低噪声1 μm波段种子激光，再通过倍频转换至509 nm蓝绿波段进行水下传输。该方案充分利用了成熟低噪声光纤激光器的优势，同时通过电子相位补偿技术抑制链路噪声。实验结果表明，8米水下链路的频率不稳定性达5.5×10^?14 @1 s和1.7×10^?16 @1000 s，时间延迟波动仅288 fs，性能远超直接调制激光二极管（LD）方案（7.1×10^?13 @1 s）。

关键技术方法
研究采用分布式反馈光纤种子激光（DFB FL，1018 nm，5 kHz线宽）作为低噪声源，通过外调制器加载500 MHz微波信号，经非线性晶体倍频至509 nm。传输链路采用数字相位补偿系统（DPCS）实时校正相位波动，结合现场可编程门阵列（FPGA）实现数字锁相环（DPLL）和比例-积分-微分（PID）控制。

研究结果

1. 原理验证：理论模型分析表明，倍频过程引入的附加噪声较直接调制LD降低3 dB以上，且电子补偿可有效抑制水下湍流和机械振动引起的相位噪声。
2. 性能对比：倍频方案频率稳定性较传统LD提升一个数量级，时间波动从10 ps降至亚皮秒级，首次实现水下微波频率传输10^?14量级突破。
3. 应用兼容性：该稳定性满足MHM-2020主动型氢钟（1.5×10^?13 @1 s）需求，为水下高精度时频同步网络奠定基础。

结论与意义
该研究通过创新性的倍频调制与噪声协同控制策略，将水下频率传输性能提升至接近地面光纤的水平。其重要意义在于：

1. 技术突破：首次实现水下10^?14量级频率传输，填补了高精度原子钟水下应用的空白；
2. 理论创新：建立的含激光噪声的传输模型为后续研究提供普适性框架；
3. 应用前景：为深海时空基准站、分布式量子传感网络等国家重大需求提供关键技术支撑。

论文发表于《Optics》，通讯作者为Fei Yang和Weibiao Chen，研究得到国家自然科学基金（12293033）等项目的支持。