低噪声窄线宽单频光纤激光器在相干激光雷达、相干光通信、高精度光纤传感、引力波探测等领域具有重要的应用前景;高精度光纤时频传递技术在时钟基准比对、甚长基线干涉(VLBI)、深空探测、卫星导航定位等领域也具有广泛的应用前景，总体看来前者是利用光纤产生低噪声激光，后者是利用光纤传递高精度时频信息，两者在噪声特性等本质方面具有诸多共同特征。基于这样的背景，本文以噪声的特性、表征测量、补偿抑制为线索开展了单频光纤激光器和光纤时频传递技术的研究，研究内容贯穿元件、器件、系统三个层次，主要涉及保偏光纤光栅的制备及特性研究、低噪声窄线宽高功率单频光纤激光器、高精度光纤时频同时传递系统以及它们对应的特性表征测试系统的研制和实验研究，还对多个特定物理问题和现象进行了理论分析和建模以及数值模拟。　　本文的主要研究内容和结果包括:　　1.首次在实验上观察到保偏光纤光栅微弱的中间峰交叉偏振模式耦合现象，并从Helmholtz方程出发考虑新的实验条件重新推导了新的耦合模方程，克服了传统耦合模方程在处理该问题时不自洽的问题，对该现象给出了完整合理的理论解释。所得结论不仅描述了保偏光纤光栅一种新的耦合机制，而且对它的实际使用具有重要的指导意义。　　2.在对增益介质存在双折射缺陷时的线型腔光纤激光器输出偏振特性建模分析时提出将谐振腔的偏振模式起振情况和输出偏振态分开考虑，即先利用谐振腔Jones矩阵和谐振条件描述偏振模式起振特性，然后再利用等效波片模型分析输出激光的偏振特性，得出谐振腔增益介质双折射主轴必须与保偏光纤光栅的主轴平行或正交，方可得到高消光比的线偏振光输出。同时对该结论进行了实验验证。　　3.在上述对保偏光纤光栅和谐振腔偏振特性充分研究的基础上，利用单模光纤，波长、带宽和反射率均匹配的窄带保偏光纤光栅对、高增益Er/Yb共掺磷酸盐玻璃光纤搭建了窄线宽的单频光纤激光器。获得了输出功率大于100 mW，线宽4.2 kHz，偏振消光比大于40 dB的单频激光输出，其中偏振消光比是该领域迄今文献报道的最高值。　　4.从电磁场方程的基本形式出发阐述了激光、微波时频源和光纤时频传递各自噪声特性的物理量，并用统一的数学手段进行了定义，使得对光学振荡器及其输出激光噪声的描述和对微波振荡器及其输出时频信号噪声的描述得到了一致的理解和表述，使得将利用光纤产生低噪声激光和利用光纤传递高精度时频信息这两个本不相干的领域进行统一的研究成为可能。同时对特性参数搭建了对应的测试系统，包括激光强度和相位噪声测试、微波频率相位噪声测试、秒脉冲时间抖动测试等。　　5.对单频激光器的强度噪声特性进行了理论模拟和实验研究，并利用光电负反馈对强度噪声中的弛豫振荡进行了完全抑制，利用往返EDFA对低频噪声进行了抑制，使得激光器在10 Hz处的强度噪声为-120 dB/Hz，大于100 kHz时为-130 dB/Hz，接近所用探测器散粒噪声极限。也对单频激光器的频率噪声特性进行了研究，特别利用边频锁定的方式将激光输出频率稳定到了温控隔振隔音的窄带光纤Bragg光栅的斜边上从而对激光器的频率波动进行了抑制，激光器在100 Hz处的频率噪声为500 Hz/√Hz，100 s频率稳定度为7×10-10。　　6.从微波信号在光纤中传输的延迟相位方程出发，建立了光纤时频传递噪声来源分析模型，分别研究了温度、色散、强度噪声等各因素的影响，所得结论经过了实验验证，对光纤时频传递系统的设计和实现起到了重要的指导作用。　　7.提出了一种高精度光纤时频同时传递方案，即利用波分复用/解复用方式进行时频同时调制解调，利用单纤双向双波长还回与本地信号拍频鉴相的方式获取误差信号并消除中途反射信号的影响，利用快慢变串级PID分别控制快速小范围和慢速大范围的压控光纤延迟线从而在光域对噪声进行补偿。根据该方案搭建了实验系统，并利用北京某3个通信机房之间的实地光纤链路进行了现场试验，在60 km距离上对氢钟的时频信号进行了同时传递，实现了100MHz频率信号和秒脉冲时间信号的较长距离直接同时传递，其中100 MHz频率信号的天稳定度达到6.9×10-18，秒脉冲时间信号的均方根抖动为23.3 ps。