專利名稱：一種基于雙頻激光器的光生可調(diào)諧微波源及穩(wěn)頻控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于雙頻激光器的光生可調(diào)諧微波源及其穩(wěn)頻控制方法，具體地說涉及一種可調(diào)諧雙頻激光器拍頻產(chǎn)生微波信號的光生微波源以及對其頻率穩(wěn)定控制的方法，該光生可調(diào)諧微波源可用于光載射頻系統(tǒng)，本發(fā)明屬于通信領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微波在空間通信和地面移動(dòng)通信中被視為通信波段，另外微波中的毫米波波長與飛機(jī)、艦船和建筑物相比很短，毫米波傳播過程中遇到這些物體時(shí)，在表面會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的反射，這在軍事雷達(dá)技術(shù)中應(yīng)用廣泛。盡管微波通信得到重視，但是其本身面臨困難也日益突顯1、微波向更高頻率發(fā)展時(shí)遇到困難，超過IOGHz的微波信號在大氣中傳輸衰減很大，其他的微波傳輸介質(zhì)在長距離傳輸微波信號時(shí)損耗也很大，這就導(dǎo)致微波信號傳輸向高頻拓展受限；2、有關(guān)高頻射頻信號帶來的電磁輻射健康效應(yīng)的研究暫無定論，但是危害現(xiàn)在還 不能排除。3、微波波長較短，繞開障礙物的能力較差，這樣微波通信需要建立更多的基站從而造成成倍壓力。綜上所述，使用光載射頻的方法使微波信號在光纖中傳輸可以有效地解決上述問題。另外，傳統(tǒng)的微波源是由微波真空器件產(chǎn)生的或者石英晶振為主頻、電容管倍頻產(chǎn)生微波信號的方法都很難在高頻產(chǎn)生很大的功率。而且傳統(tǒng)的微波發(fā)生器很難在大范圍內(nèi)產(chǎn)生微波信號。而光生微波源則可以很好的解決這些問題，得到較大帶寬的可調(diào)諧微波輸出。用光學(xué)的手段產(chǎn)生高質(zhì)量的微波信號，將光纖傳輸、高速光電子器件與微波信號在空間的輻射傳輸相互融合，已經(jīng)成為下一代無線通信的發(fā)展方向。光生微波技術(shù)是利用激光器等光學(xué)器件，通過光學(xué)方式產(chǎn)生微波信號。目前最常用的光生微波技術(shù)是光拍頻法，光拍頻法產(chǎn)生的微波信號主要依賴與兩個(gè)頻率相近的相干窄線寬激光器。下面簡要介紹一下光拍頻法的基本原理如圖Ia所示f\和f2分別是兩個(gè)窄線寬激光器所輸出的激光波長，其輸出功率相等、偏振方向相同、相位關(guān)系穩(wěn)定，兩個(gè)激光波長的頻率差為Af，當(dāng)兩束激光在空間上相互拍頻后通過光電探測器即可以產(chǎn)生微波信號，其微波信號的頻率是二者的頻率之差即Af，如圖Ib所示。為了得到低噪聲和高穩(wěn)定性的微波信號，就要求兩束進(jìn)行拍頻的激光具有極高的相干性、偏振一致性和功率穩(wěn)定性。迄今為止基于光拍頻法的光生微波裝置可以分為兩類—種是使用兩個(gè)獨(dú)立激光器進(jìn)行拍頻產(chǎn)生微波信號，其中一個(gè)激光器頻率固定，另一個(gè)激光器頻率可調(diào)，利用光鎖相環(huán)將兩個(gè)激光器的相位進(jìn)行鎖定，例如文 章“Johansson LA, Seeds A J. Millimeter-wave modulated optical signalgeneration with high spectral purity and wide-locking bandwidth using afiber-integrated optical injection phase—lock loop. Photonics TechnologyLetters. 2000, 12:690-692”但是這種方法技術(shù)難度較大不利于實(shí)用。另一種是使用同一個(gè)激光器通過相關(guān)技術(shù)手段產(chǎn)生兩個(gè)頻率的激光，使得微波信號直接輸出，例如美國專利US7539221Bl“fiber-laser-based gigahertz sources throughdifference frequency generation by nonlinear optical materials，，利用改變線型腔光纖激光器的雙折射效應(yīng)從而改變兩個(gè)激光頻率間隔實(shí)現(xiàn)微波信號的調(diào)諧，但是這種對激光器光纖施加應(yīng)力的方法具有隨機(jī)性，不利于自動(dòng)化控制，并且整個(gè)激光器易受環(huán)境因素影響；美國專利US5497385 “optical microwave generator”利用在環(huán)形光纖激光器中設(shè)置了兩個(gè)濾波器，使得兩個(gè)頻率不相等的激光同時(shí)在腔內(nèi)起振產(chǎn)生拍頻微波信號，但是這種基于光纖激光器的方法同樣容易受環(huán)境因素影響導(dǎo)致兩個(gè)頻率激光偏振態(tài)不能很好匹配或者難以穩(wěn)定，最終影響輸出微波信號的質(zhì)量；美國專利“US7142570B2apparatusand method for generation optical carrier for microwave and millimeterwavephotonics system”利用基頻光與光纖中受激布里淵移頻光進(jìn)行拍頻產(chǎn)生微波信號，但是這種方法難以產(chǎn)生大帶寬的可調(diào)諧微波信號；中國專利“CN100421318C半導(dǎo)體激光器的雙波長輸出光子混頻產(chǎn)生太赫茲波的裝置”提到利用在外腔半導(dǎo)體激光器的腔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)具和空間濾波器的方法產(chǎn)生雙波長輸出，兩個(gè)波長激光的拍頻信號進(jìn)入太赫茲波段，但是這種方法難于實(shí)現(xiàn)拍頻信號的調(diào)諧并且兩個(gè)波長激光在腔內(nèi)的增益均衡不容易保證
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)問題，提供通過一種基于雙頻激光器的光生可調(diào)諧微波源以及其穩(wěn)頻控制方法可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧微波信號的發(fā)生，并使該微波信號具有可調(diào)諧帶寬大、信號穩(wěn)定等技術(shù)特點(diǎn)。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種基于雙頻激光器的光生可調(diào)諧微波源，包含有產(chǎn)生雙頻激光器的諧振腔系統(tǒng)、拍頻微波信號的檢測穩(wěn)頻系統(tǒng)和整個(gè)系統(tǒng)的控制單元三部分；所述的雙頻激光器的諧振腔系統(tǒng)包含有依次排列的半導(dǎo)體光放大器芯片、準(zhǔn)直透鏡、可控半波片、偏振分光棱鏡、可調(diào)諧濾波器、反射鏡，其半導(dǎo)體光放大器芯片的另一端依次設(shè)置有耦合輸出透鏡、隔離器；反射鏡由可調(diào)諧信號光Vp反射腔鏡面和固定頻率激光信號Vs反射腔鏡面呈L形狀組合而成，可調(diào)諧信號光Vp反射腔鏡面和固定頻率激光信號Vs反射腔鏡面通過偏振分光棱鏡對應(yīng)的的分光光路分別與半導(dǎo)體光放大器芯片輸出端面形成諧振腔；可調(diào)諧信號光Vp方向設(shè)置有可以使可調(diào)諧信號光Vp反射腔鏡面與半導(dǎo)體光放大器芯片形成的諧振腔實(shí)現(xiàn)光學(xué)腔長發(fā)生變化的激光器相位調(diào)節(jié)元件；所述的拍頻微波信號的檢測穩(wěn)頻系統(tǒng)包含有可調(diào)頻率檢測器和固定頻率檢測器；其中，可調(diào)頻率檢測器和固定頻率檢測器分別對應(yīng)放置于可調(diào)諧信號光Vp反射腔鏡面和固定頻率激光信號Vs反射腔鏡面的后端，并且同偏振分光棱鏡的兩路分光光路分別相對應(yīng)；所述的整個(gè)系統(tǒng)的控制單元包含有與可調(diào)頻率檢測器和固定頻率檢測器相連接的讀取模塊，與讀取模塊相連接的運(yùn)算模塊，以及與運(yùn)算模塊、激光器相位調(diào)節(jié)元件、可調(diào)濾波器、可控半波片以及可調(diào)頻率檢測器相連接的驅(qū)動(dòng)模塊。所述的激光器相位調(diào)節(jié)元件為固定于可調(diào)諧信號光Vp反射腔鏡面上、可以帶動(dòng)反射鏡沿垂直于Vp信號光反射腔鏡面方向移動(dòng)的位移控制元件。所述激光器相位調(diào)節(jié)元件是置于偏振分光棱鏡和Vp信號光反射腔鏡面之間光路的折射率可變控制元件，該折射率可變控制元件可以改變Vp信號光諧振腔內(nèi)的有效折射率。
所述半導(dǎo)體光放大器芯片的輸出端鍍有部分反射膜，其另一端鍍有增透膜；所述的固定頻率激光信號Vs反射腔鏡面上鍍有反射膜，其固定頻率激光信號Vs的波長根據(jù)固定頻率激光信號Vs反射腔鏡面所鍍的窄帶反射膜反射峰位置所確定。所述的可調(diào)諧信號光Vp反射腔鏡面和固定頻率激光信號Vs反射腔鏡面的反射面具有可以實(shí)現(xiàn)光信號經(jīng)過反射面時(shí)有足夠功率的激光信號分配給可調(diào)頻率檢測器和固定頻率檢測器使用的透過率。所述的可調(diào)頻率檢測器包括第一分光片、溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具、第一光電探測器、第二光電探測器；溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具上設(shè)置有加熱元件，溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具、第二光電探測器依次設(shè)置于第一分光片的一路分光光路中，第一光電探測器設(shè)置于第一分光片的另一路分光光路中；所述的固定頻率檢測器包括第二分光片、溫度固定標(biāo)準(zhǔn)具、第三光電探測器、第四光電探測器；溫度固定標(biāo)準(zhǔn)具、第四光電探測器依次設(shè)置于第二分光片的一路分光光路中，第三光電探測器設(shè)置于第二分光片的另一路分光光路中。所述位移控制元件為壓電陶瓷或者步進(jìn)電機(jī)。所述可控半波片是基于電光響應(yīng)或者熱光效應(yīng)或者應(yīng)力感應(yīng)的半波片。所述基于雙頻激光器的光生可調(diào)諧微波源的穩(wěn)頻控制方法，I)確認(rèn)固定頻率檢測器中的激光頻率Vs的真實(shí)頻率值，將微波信號頻率目標(biāo)值Vs與真實(shí)頻率值相加得到所需要的Vp頻率目標(biāo)值；2)將可調(diào)頻率檢測器中的溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具設(shè)置到Vp頻率目標(biāo)值對應(yīng)的溫度，當(dāng)溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具溫度值穩(wěn)定后，采用相位調(diào)節(jié)控制Vp信號光諧振腔的光學(xué)腔長，控制單元實(shí)時(shí)地采集并計(jì)算第三光電探測器和第四光電探測器的比值，當(dāng)其比值滿足所需Vp頻率目標(biāo)值所對應(yīng)的第三光電探測器和第四光電探測器的定標(biāo)比值時(shí)，停止相位調(diào)節(jié)并使其保持在當(dāng)下位置；3)比較第一光電探測器和第三光電探測器分別檢測到vp、Vs兩個(gè)頻率 激光的功率值，當(dāng)兩者不相等時(shí)，控制單元驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)可控半波片，使第一光電探測器和第三光電探測器輸出功率保持一致。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果I、本發(fā)明獨(dú)特的L型反射鏡結(jié)合緊湊穩(wěn)定的諧振腔設(shè)計(jì)保證了兩個(gè)頻率信號光在光路上的相位穩(wěn)定性；2、采用同一個(gè)半導(dǎo)體光放大器芯片為兩個(gè)頻率激光提供增益可以保證電路上帶來的相位抖動(dòng)對兩個(gè)信號光等效，從而保證了兩個(gè)信號光相位關(guān)系穩(wěn)定；3、通過高精度的頻率檢測器同時(shí)檢測vs、Vp兩個(gè)信號光的功率大小和準(zhǔn)確頻率值結(jié)合反饋控制系統(tǒng)保證了該基于雙頻激光器的光生可調(diào)諧微波源的功率穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性。


圖la、現(xiàn)有技術(shù)的光拍頻法產(chǎn)生微波信號原理圖；圖lb、現(xiàn)有技術(shù)的光拍頻法產(chǎn)生微波信號譜線圖；圖2、本發(fā)明第一種實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖3、本發(fā)明第二種實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖4、本發(fā)明中可調(diào)濾波器結(jié)合相位調(diào)節(jié)元件實(shí)現(xiàn)激光頻率調(diào)諧示意圖5a、本發(fā)明可調(diào)頻率檢測器10頻率檢測原理示意圖；圖5b、本發(fā)明固定頻率檢測器11頻率檢測原理示意圖；圖6、本發(fā)明基于雙頻激光器的光生可調(diào)諧微波源進(jìn)行穩(wěn)頻控制流程框圖；其中I、半導(dǎo)體光放大器芯片；2、準(zhǔn)直透鏡；3、可控半波片；4、偏振分光棱鏡；5、可調(diào)濾波器；6、反射鏡； 6-1、vp信號光反射腔鏡面；6-2、vs信號光反射腔鏡面；7、激光器相位調(diào)節(jié)元件；8、耦合輸出透鏡；9、隔離器；10、可調(diào)頻率檢測器；10-1、第一分光片；10-2、第一光電探測器；10-3、溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具；10-4、第二光電探測器；10-5、加熱元件；11、固定頻率檢測器；11-1、第二分光片；11-2、第三光電探測器；11-3、溫度固定標(biāo)準(zhǔn)具；11-4、第四光電探測器；12、控制單元；A—可調(diào)諧濾波器5的濾波帶；
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。本發(fā)明這種基于雙頻激光器的光生微波裝置結(jié)構(gòu)包含有產(chǎn)生雙頻激光器的諧振腔系統(tǒng)、拍頻微波信號的檢測穩(wěn)頻系統(tǒng)和整個(gè)系統(tǒng)的控制單元三部分。雙頻激光器的諧振腔系統(tǒng)由半導(dǎo)體光放大器芯片I、準(zhǔn)直透鏡2,可控半波片3,偏振分光棱鏡4,可調(diào)諧濾波器
5,反射鏡6依次排列。反射鏡6由Vp信號光反射腔鏡面6-1和Vs信號光反射腔鏡面6-2呈L形狀組合而成,Vp信號光反射腔鏡面6-1和Vs信號光反射腔鏡面6-2通過偏振分光棱鏡4的分光光路分別與半導(dǎo)體光放大器芯片I輸出端面構(gòu)成一個(gè)諧振腔，可調(diào)諧Vp信號光方向設(shè)置有可以實(shí)現(xiàn)Vp信號光反射腔鏡面6-1與半導(dǎo)體光放大器芯片I形成諧振腔的光學(xué)腔長發(fā)生變化的激光器相位調(diào)節(jié)元件7。圖2為本發(fā)明這種基于雙頻激光器的光生微波裝置結(jié)構(gòu)的第一種實(shí)施例，激光器相位調(diào)節(jié)元位可以采用位移控制元件，位移控制元件可以采用壓電陶瓷或者步進(jìn)電機(jī)，本實(shí)施例中采用壓電陶瓷固定于Vp信號光反射腔鏡面6-1上。半導(dǎo)體光放大器芯片I的輸出端同Vp信號光反射腔鏡面6-1和Vs信號光反射腔鏡面6-2分別共同構(gòu)成諧振腔光路，從而形成本發(fā)明基于雙頻激光器的光生微波裝置的兩個(gè)諧振腔。半導(dǎo)體光放大器芯片I的輸出端依次設(shè)置有耦合輸出透鏡8、隔離器9。拍頻微波信號的檢測穩(wěn)頻系統(tǒng)由可調(diào)頻率檢測器10和固定頻率檢測器11組成，可調(diào)頻率檢測器10和固定頻率檢測器11分別對應(yīng)放置于Vp信號光反射腔鏡面6-1和Vs信號光反射腔鏡面6-2后端，并且同偏振分光棱鏡4的兩路分光光路分別相對應(yīng)。半導(dǎo)體光放大器芯片I的輸出端鍍有部分反射膜，其另一端鍍有增透膜。Vs信號光反射腔鏡面6-2上鍍有反射膜，該頻率激光信號Vs的波長由Vs信號光反射腔鏡面6-2所鍍的窄帶反射膜反射峰位置所確定。Vp信號光反射腔鏡面6-1和Vs信號光反射腔鏡面6-2的反射面具有一點(diǎn)的透過率，該透過率可以實(shí)現(xiàn)光信號經(jīng)過反射面時(shí)有足夠功率的激光信號分配給可調(diào)頻率檢測器10和固定頻率檢測器11使用?？烧{(diào)頻率檢測器10包括第一分光片10-1、溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具10-3、第一光電探測器10-2、第二光電探測器10-4組成，溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具10-3上設(shè)置有加熱元件10-5，該加熱元件通常采用貼片加熱電阻，溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具10-3、第二光電探測器10-4依次設(shè)置于第一分光片10-1的一路分光光路中，第一光電探測器10-2設(shè)置于第一分光片10-1的另一路分光光路中。固定頻率檢測器11包括第二分光片11-1、溫度固定標(biāo)準(zhǔn)具11-3、第三光電探測器11-2、第四光電探測器11-4組成，溫度固定標(biāo)準(zhǔn)具11-3、第四光電探測器11-4依次設(shè)置于第二分光片11-1的一路分光光路中，第三光電探測器11-2設(shè)置于第二分光片11-1的另一路分光光路中。整個(gè)系統(tǒng)的控制單元12同可調(diào)頻率檢測器10、固定頻率檢測器11、激光器相位調(diào)節(jié)元件7、可調(diào)濾波器5、可控半波片3相連接，整個(gè)系統(tǒng)的控制單元12可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)頻率檢測器10、固定頻率檢測器11中各光電探測器的數(shù)值讀取和運(yùn)算功能，并可以根據(jù)運(yùn)算結(jié)果對需要控制的部件實(shí)施反饋控制。具體地包括讀取模塊讀取可調(diào)頻率檢測器10和固定頻率檢測器11中的光電探測器檢測值以及可調(diào)頻率檢測器10中的溫度可變標(biāo)準(zhǔn)具10-3的溫度、運(yùn)算讀取模塊值的運(yùn)算模塊，以及驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)運(yùn)算結(jié)果輸出適當(dāng)?shù)碾妷夯螂娏髦凋?qū)動(dòng)激光器相位調(diào)節(jié)元件7、可調(diào)濾波器5、可控半波片3以及可調(diào)頻率檢測器10的加熱元件10-5，從而達(dá)到對基于雙頻激光器的光生微波裝置微波發(fā)生的輸出實(shí)時(shí) 監(jiān)控和反饋控制的目的。如圖3所示，是本發(fā)明結(jié)構(gòu)的第二個(gè)實(shí)施例，本實(shí)施例中僅改變了激光器相位調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方式，即去掉Vp信號光反射腔鏡面6-1上固定的位移控制元件，轉(zhuǎn)而在偏振分光棱鏡4和Vp信號光反射腔鏡面6-1之間設(shè)置有激光器相位調(diào)節(jié)元件7，該激光器相位調(diào)節(jié)元件采用折射率可變控制元件，這種折射率可變控制元件可以改變Vp信號光諧振腔內(nèi)的有效折射率，這種折射率可變控制元件可以是折射率隨溫度、電流、電壓或者外加應(yīng)力而改變的某種介質(zhì)。這樣當(dāng)需要對激光器Vp信號光的頻率進(jìn)行調(diào)諧的時(shí)候，即可以通過調(diào)節(jié)這種折射率可變介質(zhì)的折射率來實(shí)現(xiàn)Vp信號光反射腔鏡面6-1與半導(dǎo)體光放大器芯片I形成諧振腔的光學(xué)腔長發(fā)生變化。本發(fā)明實(shí)施例中結(jié)構(gòu)中組成部件的作用具體如下半導(dǎo)體光放大器芯片I用于提供諧振腔增益；反射鏡6為兩個(gè)頻率激光分別提供激光反饋；可控半波片3和偏振分光棱鏡4起到均衡調(diào)節(jié)兩個(gè)頻率激光諧振腔增益的作用；可調(diào)諧濾波器5與位移控制元件或者折射率可變控制元件同步調(diào)節(jié)起到調(diào)諧激光器頻率的作用；可調(diào)頻率檢測器10和固定頻率檢測器11可同時(shí)檢測兩個(gè)頻率激光的頻率和功率大小從而為穩(wěn)頻系統(tǒng)提供反饋控制的依據(jù)；耦合輸出透鏡8和隔離器9用于兩個(gè)頻率激光諧振腔產(chǎn)生激光的準(zhǔn)直輸出和輸出光反向隔離。本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例中的位移控制元件包括但不限于壓電陶瓷、步進(jìn)電機(jī)以及可以通過外部控制手段實(shí)現(xiàn)位移控制的元件?？煽匕氩ㄆǖ幌抻诨陔姽忭憫?yīng)、熱光效應(yīng)以及各種應(yīng)力感應(yīng)的半波片元件。以可控半波片米用基于電光或者熱光的半波片為例，基于第一種實(shí)施例結(jié)構(gòu)光生可調(diào)諧微波源產(chǎn)生微波的過程具體如下半導(dǎo)體光放大器芯片I用于提供諧振腔增益，光依次通過準(zhǔn)直透鏡2、可控半波片3、偏振分光棱鏡4，準(zhǔn)直透鏡2用于半導(dǎo)體光放大器芯片I產(chǎn)生光束進(jìn)行模斑變換后耦合進(jìn)入光路；可控半波片使得半導(dǎo)體光放大器芯片I通過其輸出的P方向偏振光旋轉(zhuǎn)45度，這樣當(dāng)光信號通過后面的偏振分光棱鏡4時(shí)將會(huì)被等分成偏振方向分別是S偏振和P偏振的兩束光信號。其中P偏振光依次通過可調(diào)濾波器5、反射鏡6的Vp信號光反射腔鏡面6-1反饋形成激光反饋振蕩，S偏振光通過L型反射鏡6的Vs信號光反射腔鏡面6-2形成激光反饋振蕩，這樣使得兩個(gè)頻率的激光在通過偏振分光棱鏡之后變換成偏振方向正交的的兩個(gè)偏振態(tài)分別諧振。通過位移控制元件帶動(dòng)反射鏡6沿垂直于可調(diào)諧信號光Vp信號光反射腔鏡面6-1面方向移動(dòng),從而改變可調(diào)諧信號光Vp諧振腔的相位，達(dá)到可調(diào)諧信號光Vp調(diào)諧的作用。在L型反射鏡移動(dòng)過程中，Vs信號光反射腔鏡面6-2面沒有沿其諧振腔方向的位移，Vs信號光的相位不會(huì)發(fā)生變化，從而使其固定頻率輸出，激光頻率vs的穩(wěn)定不變。此時(shí)P偏振態(tài)對應(yīng)的是可調(diào)諧信號光vp，而S偏振態(tài)對應(yīng)的是固定頻率激光信號vs。當(dāng)相互垂直的P偏振信號光和S偏振信號光被反射鏡6反射后再次通過可控半波片3，這時(shí)兩個(gè)信號光的偏振態(tài)同時(shí)沿可控半波片3光軸方向旋轉(zhuǎn)45°角，之后二者偏振態(tài)仍然保持相互垂直，由于半導(dǎo)體光放大器芯片I具有P偏振態(tài)選擇特性，即相當(dāng)于一個(gè)P偏振檢偏器，所以當(dāng)兩個(gè)信號光重新進(jìn)入到半導(dǎo)體放大器芯片I后兩個(gè)頻率的信號光偏振態(tài)恢復(fù)到P偏振，進(jìn)而產(chǎn)生拍頻微波信號輸出。下面闡述可調(diào)諧信號光Vp的調(diào)諧機(jī)理如圖4所示A為可調(diào)諧濾波器5的濾波 帶，濾波帶的帶寬要保證以Vp信號光反射腔鏡面6-1為反射面的諧振腔滿足單縱模起振，以第一種實(shí)施例進(jìn)行說明，激光器的頻率調(diào)諧是由位移控制元件實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)位移控制元件
帶動(dòng)Vp信號光反射腔鏡面6-1移動(dòng)達(dá)到+距離時(shí)，激光頻率移動(dòng)一個(gè)縱模間隔，也就是說
同樣是希望激光頻率調(diào)諧一個(gè)縱模間隔的距離，當(dāng)λ P波長越短的時(shí)候要求壓電陶瓷的相對位移量越小。另外，縱模間隔的大小與腔長成反比，而較大的縱模間隔有利于激光器的大范圍調(diào)諧。綜上所述，如果考慮盡量縮減激光器的體積并保持相應(yīng)帶寬的調(diào)諧范圍，應(yīng)該把激光器的腔長盡量縮短并且把激光器的基準(zhǔn)波長盡量設(shè)在短波方向。為了防止跳?，F(xiàn)象的產(chǎn)生，當(dāng)激光頻率在調(diào)諧的過程中可調(diào)濾波器5的透射峰應(yīng)隨激光器的頻率而改變，二者的同步可通過定標(biāo)來實(shí)現(xiàn)。下面舉實(shí)例進(jìn)行闡述，假設(shè)固定激光波長XsS 850nm，可調(diào)諧激光波長λ P的初始波長選擇比850nm偏向短波方向2GHz左右的位置，可調(diào)諧激光波長λ P諧振腔光學(xué)長度為15mm，這樣的話縱模間隔為10GHz，要求微波信號的調(diào)諧范圍是2GHz到50GHz,即調(diào)諧帶寬為48GHz，這樣要求Vp信號光反射腔鏡面6_1的移動(dòng)距離為2 μ m以上即可實(shí)現(xiàn)。與之相對應(yīng)的，如果激光器選擇在1550nm工作，Vp信號光反射腔鏡面6_1需要移動(dòng)4 μ m以上才可以實(shí)現(xiàn)最大48GHz調(diào)諧帶寬，從上面的兩個(gè)實(shí)例我們可以看出激光器選擇的工作波長越短，則對位移控制元件的位移量要求越小，反之激光器的工作波長越長，對位移控制元件的位移量要求越大。但是從實(shí)例中我們還可以看出激光器工作在短波長時(shí)較小的位移控制元件位移即可導(dǎo)致較大的微波信號移動(dòng)，即諧振腔對相位擾動(dòng)更加敏感，另外激光器諧振腔的腔長越短、縱模間距越大，其頻率對壓電陶瓷的位移響應(yīng)越敏感，也就是說短的工作波長和短的諧振腔長度不利于微波頻率的精確微調(diào)和穩(wěn)頻。綜上所述，設(shè)計(jì)本發(fā)明這種基于雙頻激光器的光生可調(diào)諧微波源的時(shí)候，應(yīng)綜合考慮所需求的調(diào)諧帶寬和頻率微調(diào)能力來合理設(shè)計(jì)其工作波段和腔長。本發(fā)明這種基于雙頻激光器的光生可調(diào)諧微波源的穩(wěn)頻和控制是微波信號強(qiáng)度的自動(dòng)化調(diào)節(jié)和微波信號頻率的長期監(jiān)測、反饋控制，其目的是保證該一種雙頻激光器具有穩(wěn)定的輸出特性并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，穩(wěn)頻和控制原理具體如下vs信號光經(jīng)過第二分光片11-1分為兩個(gè)光路，其中一路光路通過溫度固定標(biāo)準(zhǔn)具11-3進(jìn)入第四光電探測器11-4，另一路光路直接進(jìn)入第三光電探測器11-2，這樣第三光電探測器11-2直接采集的是固定激光頻率Vs的功率信號，而第四光電探測器11-4采集的是Vs信號光通過溫度固定標(biāo)準(zhǔn)具11-3后的功率信號。如圖5a所示，Vs信號光的激光頻率恰好落在溫度固定標(biāo)準(zhǔn)具11-3的一個(gè)特定透射譜BI的下降沿線性區(qū)間內(nèi)，此區(qū)間可認(rèn)為是該濾波帶斜率最大且線性度最好的位置，即其頻率敏感度最高，第四光電探測器11-4探測的是Vs信號光通過溫度固定標(biāo)準(zhǔn)具后的功率信號，第三光電探測器11-2探測的是通過溫度固定標(biāo)準(zhǔn)具前的功率信號，而二者探測的功率信號的比值與溫度固定標(biāo)準(zhǔn)具的透射譜型正相關(guān)，且此比值不隨信號光功率的改變而改變，也就是說僅當(dāng)信號光的頻率相對于溫度固定標(biāo)準(zhǔn)具透射譜的位置發(fā)生變化時(shí)該比值才會(huì)發(fā)生變化，這樣我們就可以將信號光的頻率與這兩個(gè)光電探測器功率信號的比值的關(guān)系找到，這個(gè)比值關(guān)系確定就是固定頻率檢測器的Vs頻率和光電探測器功率信號比值的定標(biāo)過程，從而可以確定此時(shí)Vs信號光的真實(shí)頻率值。此處溫度固定標(biāo)準(zhǔn)具11-3的帶寬越窄越好，這樣可以提高頻率檢測的靈敏度?？烧{(diào)頻率檢測器10設(shè)計(jì)為檢測可調(diào)激光頻率vp的真實(shí)頻率值，第一分光片10-1將為Vp信號光分為兩個(gè)光路，其中一路光路經(jīng)過一個(gè)溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具10-3進(jìn)入到第四光電探測器10-4中，另一路光路直接進(jìn)入第二光電探測器10-2，其中溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具10-3的濾波帶特性與溫度固定標(biāo)準(zhǔn)具11-3的濾波帶特 性相同，僅增加了溫度調(diào)節(jié)功能。同溫度固定標(biāo)準(zhǔn)具的Vs信號光的真實(shí)頻率值中的定標(biāo)原理一樣，我們就可以將信號光的Vp頻率與這兩個(gè)光電探測器功率信號的比值的關(guān)系找到，這個(gè)比值關(guān)系確定就是可調(diào)頻率檢測器的Vp頻率和第二光電探測器、第四光電探測器功率信號比值的定標(biāo)過程，從而可以確定此時(shí)Vp信號光的真實(shí)頻率值。同樣的我們希望信號光vp的激光頻率落在溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具10-3透射譜B2的下降沿線性區(qū)。但是由于溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具10-3的透射譜帶寬較窄，其下降沿線性區(qū)所覆蓋的頻率范圍較小，所以若要求其滿足較大范圍的頻率檢測，我們通過改變加熱電阻的電流改變溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具10-3溫度從而移動(dòng)溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具10-3透射峰的位置，這樣在不同的設(shè)定溫度下頻率檢測范圍也會(huì)相應(yīng)發(fā)生移動(dòng)。如圖5b所示，Tl溫度下溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具10-3的透射譜為B2-T1，其頻率檢測范圍從V1 IlJv2,間隔大小即為標(biāo)準(zhǔn)具透射峰下降沿線性區(qū)的帶寬設(shè)為σ ν，當(dāng)溫度升高到Τ2時(shí)溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具10-3的透射譜為Β2-Τ2，溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具10-3的透射峰向低頻移動(dòng)σ ν的距離，這樣通過Tl到Τ2溫度的改變即可使頻率檢測器10的頻率檢測范圍增大到2 σ ν，同樣的當(dāng)溫度再增加到Τ3時(shí)溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具10-3的透射譜為Β2-Τ3，使得溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)間的溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具10-3的透射峰再向低頻移動(dòng)一個(gè)σ ν的距離，即可實(shí)現(xiàn)頻率檢測器10三倍σ ν的檢測范圍，以此類推可以視可調(diào)微波源的調(diào)諧帶寬而定設(shè)置多個(gè)溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具10-3的工作溫度，使其檢測范圍滿足要求并且同時(shí)不降低頻率檢測器的檢測精度，溫度與檢測范圍的對應(yīng)關(guān)系以定標(biāo)的方式存儲(chǔ)在控制單元中以備使用時(shí)調(diào)用。這樣溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具可以采用在每一個(gè)特定溫度下，對第二光電探測器10-2和第四光電探測器10-4的比值與激光Vp頻率進(jìn)行定標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)頻率檢測器10在大帶寬范圍內(nèi)的頻率檢測能力。經(jīng)過上述的可調(diào)頻率檢測器10和固定頻率檢測器11定標(biāo)過程，可調(diào)頻率檢測器10和固定頻率檢測器11的頻率檢測我們可以分別得到固定激光頻率Vs和調(diào)諧激光頻率Vp的準(zhǔn)確值，這樣計(jì)算二者的差值即為微波信號的頻率。當(dāng)發(fā)現(xiàn)此差值偏離設(shè)定值時(shí)可通過調(diào)節(jié)位移控制元件電壓或者調(diào)節(jié)折射率可變控制元件的折射率從而調(diào)諧激光頻率Vp來滿足此差值保持不變，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定微波源頻率的作用。如圖6所示為本發(fā)明基于雙頻激光器的光生可調(diào)諧微波源進(jìn)行頻率和功率穩(wěn)定的控制流程圖，首先將所需要的微波信號頻率目標(biāo)值輸入到上位機(jī)軟件中，然后固定頻率檢測器11確定得到固定激光頻率Vs的真實(shí)頻率值，將所輸入的微波信號頻率目標(biāo)值與Vs真實(shí)頻率值相加即得到我們所需要的Vp頻率目標(biāo)值。根據(jù)前期對溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具10-3的定標(biāo)我們可以知道如果需要檢測Vp頻率目標(biāo)值對應(yīng)的溫度，將溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具10-3設(shè)置到相應(yīng)溫度下，使Vp落在其頻率響應(yīng)區(qū)間內(nèi)。當(dāng)溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具10-3的溫度值穩(wěn)定后，采用相位調(diào)節(jié)控制Vp信號光諧振腔的光學(xué)腔長，即逐漸增大位移控制元件的位移量或者改變折射率可變控制元件的折射率，此時(shí)控制單元實(shí)時(shí)地采集并計(jì)算第三光電探測器11-2和第四光電探測器11-4的比值。當(dāng)發(fā)現(xiàn)第三光電探測器11-2和第四光電探測器11-4的比值滿足所需Vp頻率目標(biāo)值所對應(yīng)的第三光電探測器和第四光電探測器的定標(biāo)比值時(shí)，停止相位調(diào)節(jié)，即將位移控制元件或者折射率可變控制元件的折射率保持在當(dāng)下位置，這時(shí)可調(diào)諧雙頻激光器產(chǎn)生的微波信號就是所需要目標(biāo)頻率的微波信號。此時(shí)第一光電探測器10-2和第三光電探測器11-2分別檢測到vp、vs兩個(gè)頻率激光的功率，控制單元比較該兩個(gè) 頻率激光功率的大小，當(dāng)?shù)谝还怆娞綔y器10-2和第三光電探測器11-2檢測到兩個(gè)頻率激光功率不相等時(shí)，控制單元通過驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)可控半波片從而使兩個(gè)頻率激光輸出功率保持一致從而達(dá)到穩(wěn)定微波信號強(qiáng)度的作用。本發(fā)明的可控半波片3和偏振分光棱鏡4組合可以使固定頻率激光Vs和可調(diào)頻率激光Vp在兩個(gè)相互垂直偏振態(tài)下獨(dú)立起振，并且調(diào)節(jié)可控半波片可以調(diào)節(jié)固定頻率激光Vs諧振腔和可調(diào)頻率激光Vp諧振腔的相對增益。當(dāng)?shù)谝还怆娞綔y器10-2和第三光電探測器11-2檢測到兩個(gè)頻率激光功率相等時(shí)，上位機(jī)顯示Vp和Vs的實(shí)時(shí)功率方便操作人員監(jiān)控整個(gè)裝置的工作狀態(tài)，此時(shí)基于雙頻激光器的光生可調(diào)諧微波源即輸出了頻率準(zhǔn)確強(qiáng)度穩(wěn)定的微波信號，并且進(jìn)入長期頻率和功率閉環(huán)控制階段保證微波信號的穩(wěn)定輸出。同時(shí)本發(fā)明這種基于雙頻激光器的光生可調(diào)諧微波源會(huì)通過實(shí)時(shí)地頻率檢測和功率檢測掌控微波信號的頻率和強(qiáng)度變化并提供反饋控制使其長期穩(wěn)定輸出。雖然本發(fā)明已經(jīng)詳細(xì)地示出并描述了相關(guān)的特定的實(shí)施例參考，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該能夠理解，在不背離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)可以在形式上和細(xì)節(jié)上作出各種改變。這些改變都將落入本發(fā)明的權(quán)利要求所要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于雙頻激光器的光生可調(diào)諧微波源，其特征在于 包含有產(chǎn)生雙頻激光器的諧振腔系統(tǒng)、拍頻微波信號的檢測穩(wěn)頻系統(tǒng)和整個(gè)系統(tǒng)的控制單元三部分； 所述的雙頻激光器的諧振腔系統(tǒng)包含有依次排列的半導(dǎo)體光放大器芯片(I)、準(zhǔn)直透鏡(2 )、可控半波片(3 )、偏振分光棱鏡(4)、可調(diào)諧濾波器(5 )、反射鏡(6 ),其半導(dǎo)體光放大器芯片(I)的另一端依次設(shè)置有耦合輸出透鏡(8)、隔離器(9);反射鏡(6)由可調(diào)諧信號光vp反射腔鏡面(6-1)和固定頻率激光信號Vs反射腔鏡面(6-2)呈L形狀組合而成，可調(diào)諧信號光Vp反射腔鏡面(6-1)和固定頻率激光信號Vs反射腔鏡面(6-2)通過偏振分光棱鏡(4)對應(yīng)的的分光光路分別與半導(dǎo)體光放大器芯片(I)輸出端面形成諧振腔；可調(diào)諧信號光Vp方向設(shè)置有可以使可調(diào)諧信號光Vp反射腔鏡面(6-1)與半導(dǎo)體光放大器芯片(I)形成的諧振腔實(shí)現(xiàn)光學(xué)腔長發(fā)生變化的激光器相位調(diào)節(jié)元件(7)； 所述的拍頻微波信號的檢測穩(wěn)頻系統(tǒng)包含有可調(diào)頻率檢測器(10)和固定頻率檢測器(11);其中，可調(diào)頻率檢測器(10)和固定頻率檢測器(11)分別對應(yīng)放置于可調(diào)諧信號光Vp反射腔鏡面(6-1)和固定頻率激光信號Vs反射腔鏡面(6-2)的后端，并且同偏振分光棱鏡(4)的兩路分光光路分別相對應(yīng)； 所述的整個(gè)系統(tǒng)的控制單元(12)包含有與可調(diào)頻率檢測器(10)和固定頻率檢測器(11)相連接的讀取模塊，與讀取模塊相連接的運(yùn)算模塊，以及與運(yùn)算模塊、激光器相位調(diào)節(jié)元件(7)、可調(diào)濾波器(5)、可控半波片(3)以及可調(diào)頻率檢測器(10)相連接的驅(qū)動(dòng)模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于雙頻激光器的光生可調(diào)諧微波源，其特征在于 所述的激光器相位調(diào)節(jié)元件(7)為固定于可調(diào)諧信號光Vp反射腔鏡面(6-1)上、可以帶動(dòng)反射鏡(6)沿垂直于Vp信號光反射腔鏡面(6-1)方向移動(dòng)的位移控制兀件。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于雙頻激光器的光生可調(diào)諧微波源，其特征在于 所述激光器相位調(diào)節(jié)元件(7)是置于偏振分光棱鏡(4)和Vp信號光反射腔鏡面(6-1)之間光路的折射率可變控制元件，該折射率可變控制元件可以改變Vp信號光諧振腔內(nèi)的有效折射率。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的一種基于雙頻激光器的光生可調(diào)諧微波源，其特征在于 所述半導(dǎo)體光放大器芯片(I)的輸出端鍍有部分反射膜，其另一端鍍有增透膜；所述的固定頻率激光信號Vs反射腔鏡面(6-2)上鍍有反射膜，其固定頻率激光信號Vs的波長根據(jù)固定頻率激光信號Vs反射腔鏡面(6-2)所鍍的窄帶反射膜反射峰位置所確定。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的一種基于雙頻激光器的光生可調(diào)諧微波源，其特征在于 所述的可調(diào)諧信號光Vp反射腔鏡面(6-1)和固定頻率激光信號Vs反射腔鏡面(6-2)的反射面具有可以實(shí)現(xiàn)光信號經(jīng)過反射面時(shí)有足夠功率的激光信號分配給可調(diào)頻率檢測器(10)和固定頻率檢測器(11)使用的透過率。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的一種基于雙頻激光器的光生可調(diào)諧微波源，其特征在于 所述的可調(diào)頻率檢測器(10)包括第一分光片(10-1)、溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具(10-3)、第一光電探測器(10-2)、第二光電探測器(10-4);溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具(10-3)上設(shè)置有加熱元件(10-5)，溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具(10-3)、第二光電探測器(10-4)依次設(shè)置于第一分光片(10-1)的一路分光光路中，第一光電探測器(10-2)設(shè)置于第一分光片(10-1)的另一路分光光路中； 所述的固定頻率檢測器(11)包括第二分光片(11-1)、溫度固定標(biāo)準(zhǔn)具(11-3)、第三光電探測器(11-2)、第四光電探測器(11-4);溫度固定標(biāo)準(zhǔn)具(11-3)、第四光電探測器(11-4)依次設(shè)置于第二分光片(11-1)的一路分光光路中，第三光電探測器(11-2)設(shè)置于第二分光片(11-1)的另一路分光光路中。
7.如權(quán)利要求2所述的一種基于雙頻激光器的光生可調(diào)諧微波源，其特征在于所述位移控制元件為壓電陶瓷或者步進(jìn)電機(jī)。
8.如權(quán)利要求I或2或3所述的一種基于雙頻激光器的光生可調(diào)諧微波源，其特征在于所述可控半波片(3)是基于電光響應(yīng)或者熱光效應(yīng)或者應(yīng)力感應(yīng)的半波片。
9.如權(quán)利要求I所述一種基于雙頻激光器的光生可調(diào)諧微波源的穩(wěn)頻控制方法，其特征在于 1)確認(rèn)固定頻率檢測器中的激光頻率vs的真實(shí)頻率值，將微波信號頻率目標(biāo)值與vs真實(shí)頻率值相加得到所需要的Vp頻率目標(biāo)值； 2)將可調(diào)頻率檢測器中的溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具設(shè)置到Vp頻率目標(biāo)值對應(yīng)的溫度，當(dāng)溫度可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)具溫度值穩(wěn)定后，采用相位調(diào)節(jié)控制Vp信號光諧振腔的光學(xué)腔長，控制單元實(shí)時(shí)地采集并計(jì)算第三光電探測器和第四光電探測器的比值，當(dāng)其比值滿足所需Vp頻率目標(biāo)值所對應(yīng)的第三光電探測器和第四光電探測器的定標(biāo)比值時(shí)，停止相位調(diào)節(jié)并使其保持在當(dāng)下位置； 3)比較第一光電探測器和第三光電探測器分別檢測到vp、vs兩個(gè)頻率激光的功率值，當(dāng)兩者不相等時(shí)，控制單元驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)可控半波片，使第一光電探測器和第三光電探測器輸出功率保持一致。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于雙頻激光器的光生可調(diào)諧微波源及其穩(wěn)頻控制方法，光生可調(diào)諧微波源的諧振腔系統(tǒng)包含有依次排列的半導(dǎo)體光放大器芯片、準(zhǔn)直透鏡、可控半波片、偏振分光棱鏡、可調(diào)諧濾波器、反射鏡，反射鏡由可調(diào)諧信號光vp反射腔鏡面和固定頻率激光信號vs反射腔鏡面呈L形狀組合而成，可調(diào)諧信號光vp反射腔鏡面和固定頻率激光信號vs反射腔鏡面通過偏振分光棱鏡對應(yīng)的分光光路分別與半導(dǎo)體光放大器芯片輸出端面形成諧振腔；可調(diào)諧信號光vp方向設(shè)置有可以使可調(diào)諧信號光vp反射腔鏡面與半導(dǎo)體光放大器芯片形成的諧振腔實(shí)現(xiàn)光學(xué)腔長發(fā)生變化的激光器相位調(diào)節(jié)元件；采用本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧微波信號的發(fā)生，并使該微波信號具有可調(diào)諧帶寬大、信號穩(wěn)定。
文檔編號H01S1/02GK102832529SQ201210312369
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月29日
發(fā)明者唐毅, 傅焰烽, 胡強(qiáng)高, 張玓, 錢坤, 胡勝磊, 湯學(xué)勝 申請人:武漢光迅科技股份有限公司