CN102832529A - 一种基于双频激光器的光生可调谐微波源及稳频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双频激光器的光生可调谐微波源及其稳频控制方法，光生可调谐微波源的谐振腔系统包含有依次排列的半导体光放大器芯片、准直透镜、可控半波片、偏振分光棱镜、可调谐滤波器、反射镜，反射镜由可调谐信号光v_p反射腔镜面和固定频率激光信号v_s反射腔镜面呈L形状组合而成，可调谐信号光v_p反射腔镜面和固定频率激光信号v_s反射腔镜面通过偏振分光棱镜对应的分光光路分别与半导体光放大器芯片输出端面形成谐振腔；可调谐信号光v_p方向设置有可以使可调谐信号光v_p反射腔镜面与半导体光放大器芯片形成的谐振腔实现光学腔长发生变化的激光器相位调节元件；采用本发明可以实现可调谐微波信号的发生，并使该微波信号具有可调谐带宽大、信号稳定。

Description

一种基于双频激光器的光生可调谐微波源及稳频控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于双频激光器的光生可调谐微波源及其稳频控制方法，具体地说涉及一种可调谐双频激光器拍频产生微波信号的光生微波源以及对其频率稳定控制的方法，该光生可调谐微波源可用于光载射频系统，本发明属于通信领域。

背景技术

微波在空间通信和地面移动通信中被视为通信波段，另外微波中的毫米波波长与飞机、舰船和建筑物相比很短，毫米波传播过程中遇到这些物体时，在表面会发生强烈的反射，这在军事雷达技术中应用广泛。尽管微波通信得到重视，但是其本身面临困难也日益突显：1、微波向更高频率发展时遇到困难，超过10GHz的微波信号在大气中传输衰减很大，其他的微波传输介质在长距离传输微波信号时损耗也很大，这就导致微波信号传输向高频拓展受限；2、有关高频射频信号带来的电磁辐射健康效应的研究暂无定论，但是危害现在还不能排除。3、微波波长较短，绕开障碍物的能力较差，这样微波通信需要建立更多的基站从而造成成倍压力。综上所述，使用光载射频的方法使微波信号在光纤中传输可以有效地解决上述问题。另外，传统的微波源是由微波真空器件产生的或者石英晶振为主频、电容管倍频产生微波信号的方法都很难在高频产生很大的功率。而且传统的微波发生器很难在大范围内产生微波信号。而光生微波源则可以很好的解决这些问题，得到较大带宽的可调谐微波输出。

用光学的手段产生高质量的微波信号，将光纤传输、高速光电子器件与微波信号在空间的辐射传输相互融合，已经成为下一代无线通信的发展方向。光生微波技术是利用激光器等光学器件，通过光学方式产生微波信号。目前最常用的光生微波技术是光拍频法，光拍频法产生的微波信号主要依赖与两个频率相近的相干窄线宽激光器。

下面简要介绍一下光拍频法的基本原理：

如图1a所示：f₁和f₂分别是两个窄线宽激光器所输出的激光波长，其输出功率相等、偏振方向相同、相位关系稳定，两个激光波长的频率差为Δf，当两束激光在空间上相互拍频后通过光电探测器即可以产生微波信号，其微波信号的频率是二者的频率之差即Δf，如图1b所示。为了得到低噪声和高稳定性的微波信号，就要求两束进行拍频的激光具有极高的相干性、偏振一致性和功率稳定性。

迄今为止基于光拍频法的光生微波装置可以分为两类：

一种是使用两个独立激光器进行拍频产生微波信号，其中一个激光器频率固定，另一个激光器频率可调，利用光锁相环将两个激光器的相位进行锁定，例如文章“JohanssonLA,Seeds A J.Millimeter-wave modulated optical signal generation with high spectralpurity and wide-locking bandwidth using a fiber-integrated optical injectionphase-lock loop.Photonics Technology Letters.2000,12:690-692”但是这种方法技术难度较大不利于实用。

另一种是使用同一个激光器通过相关技术手段产生两个频率的激光，使得微波信号直接输出，例如美国专利US7539221B1“fiber-laser-based gigahertz sources throughdifference frequency generation by nonlinear optical materials”利用改变线型腔光纤激光器的双折射效应从而改变两个激光频率间隔实现微波信号的调谐，但是这种对激光器光纤施加应力的方法具有随机性，不利于自动化控制，并且整个激光器易受环境因素影响；美国专利US5497385“optical microwave generator”利用在环形光纤激光器中设置了两个滤波器，使得两个频率不相等的激光同时在腔内起振产生拍频微波信号，但是这种基于光纤激光器的方法同样容易受环境因素影响导致两个频率激光偏振态不能很好匹配或者难以稳定，最终影响输出微波信号的质量；美国专利“US7142570B2apparatus and method forgeneration optical carrier for microwave and millimeterwave photonics system”利用基频光与光纤中受激布里渊移频光进行拍频产生微波信号，但是这种方法难以产生大带宽的可调谐微波信号；中国专利“CN100421318C半导体激光器的双波长输出光子混频产生太赫兹波的装置”提到利用在外腔半导体激光器的腔内插入标准具和空间滤波器的方法产生双波长输出，两个波长激光的拍频信号进入太赫兹波段，但是这种方法难于实现拍频信号的调谐并且两个波长激光在腔内的增益均衡不容易保证。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的技术问题，提供通过一种基于双频激光器的光生可调谐微波源以及其稳频控制方法可以实现可调谐微波信号的发生，并使该微波信号具有可调谐带宽大、信号稳定等技术特点。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于双频激光器的光生可调谐微波源，包含有产生双频激光器的谐振腔系统、拍频微波信号的检测稳频系统和整个系统的控制单元三部分；所述的双频激光器的谐振腔系统包含有依次排列的半导体光放大器芯片、准直透镜、可控半波片、偏振分光棱镜、可调谐滤波器、反射镜，其半导体光放大器芯片的另一端依次设置有耦合输出透镜、隔离器；反射镜由可调谐信号光v_p反射腔镜面和固定频率激光信号v_s反射腔镜面呈L形状组合而成，可调谐信号光v_p反射腔镜面和固定频率激光信号v_s反射腔镜面通过偏振分光棱镜对应的的分光光路分别与半导体光放大器芯片输出端面形成谐振腔；可调谐信号光v_p方向设置有可以使可调谐信号光v_p反射腔镜面与半导体光放大器芯片形成的谐振腔实现光学腔长发生变化的激光器相位调节元件；所述的拍频微波信号的检测稳频系统包含有可调频率检测器和固定频率检测器；其中，可调频率检测器和固定频率检测器分别对应放置于可调谐信号光v_p反射腔镜面和固定频率激光信号v_s反射腔镜面的后端，并且同偏振分光棱镜的两路分光光路分别相对应；所述的整个系统的控制单元包含有与可调频率检测器和固定频率检测器相连接的读取模块，与读取模块相连接的运算模块，以及与运算模块、激光器相位调节元件、可调滤波器、可控半波片以及可调频率检测器相连接的驱动模块。

所述的激光器相位调节元件为固定于可调谐信号光v_p反射腔镜面上、可以带动反射镜沿垂直于v_p信号光反射腔镜面方向移动的位移控制元件。

所述激光器相位调节元件是置于偏振分光棱镜和v_p信号光反射腔镜面之间光路的折射率可变控制元件，该折射率可变控制元件可以改变v_p信号光谐振腔内的有效折射率。

所述半导体光放大器芯片的输出端镀有部分反射膜，其另一端镀有增透膜；所述的固定频率激光信号v_s反射腔镜面上镀有反射膜，其固定频率激光信号v_s的波长根据固定频率激光信号v_s反射腔镜面所镀的窄带反射膜反射峰位置所确定。

所述的可调谐信号光v_p反射腔镜面和固定频率激光信号v_s反射腔镜面的反射面具有可以实现光信号经过反射面时有足够功率的激光信号分配给可调频率检测器和固定频率检测器使用的透过率。

所述的可调频率检测器包括第一分光片、温度可调标准具、第一光电探测器、第二光电探测器；温度可调标准具上设置有加热元件，温度可调标准具、第二光电探测器依次设置于第一分光片的一路分光光路中，第一光电探测器设置于第一分光片的另一路分光光路中；

所述的固定频率检测器包括第二分光片、温度固定标准具、第三光电探测器、第四光电探测器；温度固定标准具、第四光电探测器依次设置于第二分光片的一路分光光路中，第三光电探测器设置于第二分光片的另一路分光光路中。

所述位移控制元件为压电陶瓷或者步进电机。

所述可控半波片是基于电光响应或者热光效应或者应力感应的半波片。

所述基于双频激光器的光生可调谐微波源的稳频控制方法，1）确认固定频率检测器中的激光频率v_s的真实频率值，将微波信号频率目标值v_s与真实频率值相加得到所需要的v_p频率目标值；2）将可调频率检测器中的温度可调标准具设置到v_p频率目标值对应的温度，当温度可调标准具温度值稳定后，采用相位调节控制v_p信号光谐振腔的光学腔长，控制单元实时地采集并计算第三光电探测器和第四光电探测器的比值，当其比值满足所需v_p频率目标值所对应的第三光电探测器和第四光电探测器的定标比值时，停止相位调节并使其保持在当下位置；3）比较第一光电探测器和第三光电探测器分别检测到v_p、v_s两个频率激光的功率值，当两者不相等时，控制单元驱动调节可控半波片,使第一光电探测器和第三光电探测器输出功率保持一致。

本发明具有以下优点和积极效果：

1、本发明独特的L型反射镜结合紧凑稳定的谐振腔设计保证了两个频率信号光在光路上的相位稳定性；

2、采用同一个半导体光放大器芯片为两个频率激光提供增益可以保证电路上带来的相位抖动对两个信号光等效，从而保证了两个信号光相位关系稳定；

3、通过高精度的频率检测器同时检测v_s、v_p两个信号光的功率大小和准确频率值结合反馈控制系统保证了该基于双频激光器的光生可调谐微波源的功率稳定性和频率稳定性。

附图说明

图1a、现有技术的光拍频法产生微波信号原理图；

图1b、现有技术的光拍频法产生微波信号谱线图；

图2、本发明第一种实施例结构示意图；

图3、本发明第二种实施例结构示意图；

图4、本发明中可调滤波器结合相位调节元件实现激光频率调谐示意图；

图5a、本发明可调频率检测器10频率检测原理示意图；

图5b、本发明固定频率检测器11频率检测原理示意图；

图6、本发明基于双频激光器的光生可调谐微波源进行稳频控制流程框图；

其中：

1、半导体光放大器芯片；                 2、准直透镜；

3、可控半波片；                         4、偏振分光棱镜；

5、可调滤波器；                         6、反射镜；

6-1、v_p信号光反射腔镜面；               6-2、v_s信号光反射腔镜面；

7、激光器相位调节元件；                 8、耦合输出透镜；

9、隔离器；                             10、可调频率检测器;

10-1、第一分光片；                      10-2、第一光电探测器；

10-3、温度可调标准具；                  10-4、第二光电探测器;

10-5、加热元件；                        11、固定频率检测器；

11-1、第二分光片；                      11-2、第三光电探测器；

11-3、温度固定标准具；                  11-4、第四光电探测器；

12、控制单元；

A—可调谐滤波器5的滤波带;

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明这种基于双频激光器的光生微波装置结构包含有产生双频激光器的谐振腔系统、拍频微波信号的检测稳频系统和整个系统的控制单元三部分。双频激光器的谐振腔系统由半导体光放大器芯片1、准直透镜2，可控半波片3，偏振分光棱镜4，可调谐滤波器5，反射镜6依次排列。反射镜6由v_p信号光反射腔镜面6-1和v_s信号光反射腔镜面6-2呈L形状组合而成，v_p信号光反射腔镜面6-1和v_s信号光反射腔镜面6-2通过偏振分光棱镜4的分光光路分别与半导体光放大器芯片1输出端面构成一个谐振腔，可调谐v_p信号光方向设置有可以实现v_p信号光反射腔镜面6-1与半导体光放大器芯片1形成谐振腔的光学腔长发生变化的激光器相位调节元件7。图2为本发明这种基于双频激光器的光生微波装置结构的第一种实施例，激光器相位调节元位可以采用位移控制元件，位移控制元件可以采用压电陶瓷或者步进电机，本实施例中采用压电陶瓷固定于v_p信号光反射腔镜面6-1上。半导体光放大器芯片1的输出端同v_p信号光反射腔镜面6-1和v_s信号光反射腔镜面6-2分别共同构成谐振腔光路，从而形成本发明基于双频激光器的光生微波装置的两个谐振腔。半导体光放大器芯片1的输出端依次设置有耦合输出透镜8、隔离器9。拍频微波信号的检测稳频系统由可调频率检测器10和固定频率检测器11组成，可调频率检测器10和固定频率检测器11分别对应放置于v_p信号光反射腔镜面6-1和v_s信号光反射腔镜面6-2后端，并且同偏振分光棱镜4的两路分光光路分别相对应。半导体光放大器芯片1的输出端镀有部分反射膜，其另一端镀有增透膜。v_s信号光反射腔镜面6-2上镀有反射膜，该频率激光信号v_s的波长由v_s信号光反射腔镜面6-2所镀的窄带反射膜反射峰位置所确定。v_p信号光反射腔镜面6-1和v_s信号光反射腔镜面6-2的反射面具有一点的透过率，该透过率可以实现光信号经过反射面时有足够功率的激光信号分配给可调频率检测器10和固定频率检测器11使用。可调频率检测器10包括第一分光片10-1、温度可调标准具10-3、第一光电探测器10-2、第二光电探测器10-4组成，温度可调标准具10-3上设置有加热元件10-5，该加热元件通常采用贴片加热电阻，温度可调标准具10-3、第二光电探测器10-4依次设置于第一分光片10-1的一路分光光路中，第一光电探测器10-2设置于第一分光片10-1的另一路分光光路中。固定频率检测器11包括第二分光片11-1、温度固定标准具11-3、第三光电探测器11-2、第四光电探测器11-4组成，温度固定标准具11-3、第四光电探测器11-4依次设置于第二分光片11-1的一路分光光路中，第三光电探测器11-2设置于第二分光片11-1的另一路分光光路中。整个系统的控制单元12同可调频率检测器10、固定频率检测器11、激光器相位调节元件7、可调滤波器5、可控半波片3相连接，整个系统的控制单元12可以实现可调频率检测器10、固定频率检测器11中各光电探测器的数值读取和运算功能，并可以根据运算结果对需要控制的部件实施反馈控制。具体地包括读取模块读取可调频率检测器10和固定频率检测器11中的光电探测器检测值以及可调频率检测器10中的温度可变标准具10-3的温度、运算读取模块值的运算模块，以及驱动模块根据运算结果输出适当的电压或电流值驱动激光器相位调节元件7、可调滤波器5、可控半波片3以及可调频率检测器10的加热元件10-5，从而达到对基于双频激光器的光生微波装置微波发生的输出实时监控和反馈控制的目的。

如图3所示，是本发明结构的第二个实施例，本实施例中仅改变了激光器相位调节的实现方式，即去掉v_p信号光反射腔镜面6-1上固定的位移控制元件，转而在偏振分光棱镜4和v_p信号光反射腔镜面6-1之间设置有激光器相位调节元件7，该激光器相位调节元件采用折射率可变控制元件，这种折射率可变控制元件可以改变v_p信号光谐振腔内的有效折射率，这种折射率可变控制元件可以是折射率随温度、电流、电压或者外加应力而改变的某种介质。这样当需要对激光器v_p信号光的频率进行调谐的时候，即可以通过调节这种折射率可变介质的折射率来实现v_p信号光反射腔镜面6-1与半导体光放大器芯片1形成谐振腔的光学腔长发生变化。

本发明实施例中结构中组成部件的作用具体如下：半导体光放大器芯片1用于提供谐振腔增益；反射镜6为两个频率激光分别提供激光反馈；可控半波片3和偏振分光棱镜4起到均衡调节两个频率激光谐振腔增益的作用；可调谐滤波器5与位移控制元件或者折射率可变控制元件同步调节起到调谐激光器频率的作用；可调频率检测器10和固定频率检测器11可同时检测两个频率激光的频率和功率大小从而为稳频系统提供反馈控制的依据；耦合输出透镜8和隔离器9用于两个频率激光谐振腔产生激光的准直输出和输出光反向隔离。本发明第一个实施例中的位移控制元件包括但不限于压电陶瓷、步进电机以及可以通过外部控制手段实现位移控制的元件。可控半波片包括但不限于基于电光响应、热光效应以及各种应力感应的半波片元件。

以可控半波片采用基于电光或者热光的半波片为例，基于第一种实施例结构光生可调谐微波源产生微波的过程具体如下：半导体光放大器芯片1用于提供谐振腔增益，光依次通过准直透镜2、可控半波片3、偏振分光棱镜4，准直透镜2用于半导体光放大器芯片1产生光束进行模斑变换后耦合进入光路；可控半波片使得半导体光放大器芯片1通过其输出的P方向偏振光旋转45度，这样当光信号通过后面的偏振分光棱镜4时将会被等分成偏振方向分别是S偏振和P偏振的两束光信号。其中P偏振光依次通过可调滤波器5、反射镜6的v_p信号光反射腔镜面6-1反馈形成激光反馈振荡，S偏振光通过L型反射镜6的v_s信号光反射腔镜面6-2形成激光反馈振荡，这样使得两个频率的激光在通过偏振分光棱镜之后变换成偏振方向正交的的两个偏振态分别谐振。通过位移控制元件带动反射镜6沿垂直于可调谐信号光v_p信号光反射腔镜面6-1面方向移动，从而改变可调谐信号光v_p谐振腔的相位，达到可调谐信号光v_p调谐的作用。在L型反射镜移动过程中，v_s信号光反射腔镜面6-2面没有沿其谐振腔方向的位移，v_s信号光的相位不会发生变化，从而使其固定频率输出，激光频率v_s的稳定不变。此时P偏振态对应的是可调谐信号光v_p，而S偏振态对应的是固定频率激光信号v_s。当相互垂直的P偏振信号光和S偏振信号光被反射镜6反射后再次通过可控半波片3，这时两个信号光的偏振态同时沿可控半波片3光轴方向旋转45°角，之后二者偏振态仍然保持相互垂直，由于半导体光放大器芯片1具有P偏振态选择特性，即相当于一个P偏振检偏器，所以当两个信号光重新进入到半导体放大器芯片1后两个频率的信号光偏振态恢复到P偏振，进而产生拍频微波信号输出。

下面阐述可调谐信号光v_p的调谐机理：如图4所示：A为可调谐滤波器5的滤波带，滤波带的带宽要保证以v_p信号光反射腔镜面6-1为反射面的谐振腔满足单纵模起振，以第一种实施例进行说明，激光器的频率调谐是由位移控制元件实现的，当位移控制元件带动v_p信号光反射腔镜面6-1移动达到

距离时，激光频率移动一个纵模间隔，也就是说同样是希望激光频率调谐一个纵模间隔的距离，当λ_P波长越短的时候要求压电陶瓷的相对位移量越小。另外，纵模间隔的大小与腔长成反比，而较大的纵模间隔有利于激光器的大范围调谐。综上所述，如果考虑尽量缩减激光器的体积并保持相应带宽的调谐范围，应该把激光器的腔长尽量缩短并且把激光器的基准波长尽量设在短波方向。为了防止跳模现象的产生，当激光频率在调谐的过程中可调滤波器5的透射峰应随激光器的频率而改变，二者的同步可通过定标来实现。下面举实例进行阐述，假设固定激光波长λ_s为850nm，可调谐激光波长λ_P的初始波长选择比850nm偏向短波方向2GHz左右的位置，可调谐激光波长λ_P谐振腔光学长度为15mm，这样的话纵模间隔为10GHz，要求微波信号的调谐范围是2GHz到50GHz，即调谐带宽为48GHz，这样要求v_p信号光反射腔镜面6-1的移动距离为2μm以上即可实现。与之相对应的，如果激光器选择在1550nm工作，v_p信号光反射腔镜面6-1需要移动4μm以上才可以实现最大48GHz调谐带宽，从上面的两个实例我们可以看出激光器选择的工作波长越短，则对位移控制元件的位移量要求越小，反之激光器的工作波长越长，对位移控制元件的位移量要求越大。但是从实例中我们还可以看出激光器工作在短波长时较小的位移控制元件位移即可导致较大的微波信号移动，即谐振腔对相位扰动更加敏感，另外激光器谐振腔的腔长越短、纵模间距越大，其频率对压电陶瓷的位移响应越敏感，也就是说短的工作波长和短的谐振腔长度不利于微波频率的精确微调和稳频。综上所述，设计本发明这种基于双频激光器的光生可调谐微波源的时候，应综合考虑所需求的调谐带宽和频率微调能力来合理设计其工作波段和腔长。

本发明这种基于双频激光器的光生可调谐微波源的稳频和控制是微波信号强度的自动化调节和微波信号频率的长期监测、反馈控制，其目的是保证该一种双频激光器具有稳定的输出特性并实现自动化控制，稳频和控制原理具体如下：v_s信号光经过第二分光片11-1分为两个光路，其中一路光路通过温度固定标准具11-3进入第四光电探测器11-4，另一路光路直接进入第三光电探测器11-2，这样第三光电探测器11-2直接采集的是固定激光频率v_s的功率信号，而第四光电探测器11-4采集的是v_s信号光通过温度固定标准具11-3后的功率信号。如图5a所示，v_s信号光的激光频率恰好落在温度固定标准具11-3的一个特定透射谱B1的下降沿线性区间内，此区间可认为是该滤波带斜率最大且线性度最好的位置，即其频率敏感度最高，第四光电探测器11-4探测的是v_s信号光通过温度固定标准具后的功率信号，第三光电探测器11-2探测的是通过温度固定标准具前的功率信号，而二者探测的功率信号的比值与温度固定标准具的透射谱型正相关，且此比值不随信号光功率的改变而改变，也就是说仅当信号光的频率相对于温度固定标准具透射谱的位置发生变化时该比值才会发生变化，这样我们就可以将信号光的频率与这两个光电探测器功率信号的比值的关系找到，这个比值关系确定就是固定频率检测器的v_s频率和光电探测器功率信号比值的定标过程，从而可以确定此时v_s信号光的真实频率值。此处温度固定标准具11-3的带宽越窄越好，这样可以提高频率检测的灵敏度。可调频率检测器10设计为检测可调激光频率v_p的真实频率值，第一分光片10-1将为v_p信号光分为两个光路，其中一路光路经过一个温度可调标准具10-3进入到第四光电探测器10-4中，另一路光路直接进入第二光电探测器10-2，其中温度可调标准具10-3的滤波带特性与温度固定标准具11-3的滤波带特性相同，仅增加了温度调节功能。同温度固定标准具的v_s信号光的真实频率值中的定标原理一样，我们就可以将信号光的v_p频率与这两个光电探测器功率信号的比值的关系找到，这个比值关系确定就是可调频率检测器的v_p频率和第二光电探测器、第四光电探测器功率信号比值的定标过程，从而可以确定此时v_p信号光的真实频率值。同样的我们希望信号光v_p的激光频率落在温度可调标准具10-3透射谱B2的下降沿线性区。但是由于温度可调标准具10-3的透射谱带宽较窄，其下降沿线性区所覆盖的频率范围较小，所以若要求其满足较大范围的频率检测，我们通过改变加热电阻的电流改变温度可调标准具10-3温度从而移动温度可调标准具10-3透射峰的位置，这样在不同的设定温度下频率检测范围也会相应发生移动。如图5b所示，T1温度下温度可调标准具10-3的透射谱为B2-T1，其频率检测范围从v₁到v₂，间隔大小即为标准具透射峰下降沿线性区的带宽设为σ_v，当温度升高到T2时温度可调标准具10-3的透射谱为B2-T2，温度可调标准具10-3的透射峰向低频移动σ_v的距离，这样通过T1到T2温度的改变即可使频率检测器10的频率检测范围增大到2σ_v，同样的当温度再增加到T3时温度可调标准具10-3的透射谱为B2-T3，使得温度可调标准间的温度可调标准具10-3的透射峰再向低频移动一个σ_v的距离，即可实现频率检测器10三倍σ_v的检测范围，以此类推可以视可调微波源的调谐带宽而定设置多个温度可调标准具10-3的工作温度，使其检测范围满足要求并且同时不降低频率检测器的检测精度，温度与检测范围的对应关系以定标的方式存储在控制单元中以备使用时调用。这样温度可调标准具可以采用在每一个特定温度下，对第二光电探测器10-2和第四光电探测器10-4的比值与激光v_p频率进行定标，可以实现可调频率检测器10在大带宽范围内的频率检测能力。经过上述的可调频率检测器10和固定频率检测器11定标过程，可调频率检测器10和固定频率检测器11的频率检测我们可以分别得到固定激光频率v_s和调谐激光频率v_p的准确值，这样计算二者的差值即为微波信号的频率。当发现此差值偏离设定值时可通过调节位移控制元件电压或者调节折射率可变控制元件的折射率从而调谐激光频率v_p来满足此差值保持不变，进而达到稳定微波源频率的作用。

如图6所示为本发明基于双频激光器的光生可调谐微波源进行频率和功率稳定的控制流程图，首先将所需要的微波信号频率目标值输入到上位机软件中，然后固定频率检测器11确定得到固定激光频率v_s的真实频率值，将所输入的微波信号频率目标值与v_s真实频率值相加即得到我们所需要的v_p频率目标值。根据前期对温度可调标准具10-3的定标我们可以知道如果需要检测v_p频率目标值对应的温度，将温度可调标准具10-3设置到相应温度下，使v_p落在其频率响应区间内。当温度可调标准具10-3的温度值稳定后，采用相位调节控制v_p信号光谐振腔的光学腔长，即：逐渐增大位移控制元件的位移量或者改变折射率可变控制元件的折射率，此时控制单元实时地采集并计算第三光电探测器11-2和第四光电探测器11-4的比值。当发现第三光电探测器11-2和第四光电探测器11-4的比值满足所需v_p频率目标值所对应的第三光电探测器和第四光电探测器的定标比值时，停止相位调节，即：将位移控制元件或者折射率可变控制元件的折射率保持在当下位置，这时可调谐双频激光器产生的微波信号就是所需要目标频率的微波信号。此时第一光电探测器10-2和第三光电探测器11-2分别检测到v_p、v_s两个频率激光的功率，控制单元比较该两个频率激光功率的大小，当第一光电探测器10-2和第三光电探测器11-2检测到两个频率激光功率不相等时，控制单元通过驱动调节可控半波片从而使两个频率激光输出功率保持一致从而达到稳定微波信号强度的作用。本发明的可控半波片3和偏振分光棱镜4组合可以使固定频率激光v_s和可调频率激光v_p在两个相互垂直偏振态下独立起振，并且调节可控半波片可以调节固定频率激光v_s谐振腔和可调频率激光v_p谐振腔的相对增益。当第一光电探测器10-2和第三光电探测器11-2检测到两个频率激光功率相等时，上位机显示v_p和v_s的实时功率方便操作人员监控整个装置的工作状态，此时基于双频激光器的光生可调谐微波源即输出了频率准确强度稳定的微波信号，并且进入长期频率和功率闭环控制阶段保证微波信号的稳定输出。同时本发明这种基于双频激光器的光生可调谐微波源会通过实时地频率检测和功率检测掌控微波信号的频率和强度变化并提供反馈控制使其长期稳定输出。

虽然本发明已经详细地示出并描述了相关的特定的实施例参考，但本领域的技术人员应该能够理解，在不背离本发明的精神和范围内可以在形式上和细节上作出各种改变。这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于双频激光器的光生可调谐微波源，其特征在于：

包含有产生双频激光器的谐振腔系统、拍频微波信号的检测稳频系统和整个系统的控制单元三部分；

所述的双频激光器的谐振腔系统包含有依次排列的半导体光放大器芯片（1）、准直透镜（2）、可控半波片（3）、偏振分光棱镜（4）、可调谐滤波器（5）、反射镜（6），其半导体光放大器芯片（1）的另一端依次设置有耦合输出透镜（8）、隔离器（9）；反射镜（6）由可调谐信号光v_p反射腔镜面（6-1）和固定频率激光信号v_s反射腔镜面（6-2）呈L形状组合而成，可调谐信号光v_p反射腔镜面（6-1）和固定频率激光信号v_s反射腔镜面（6-2）通过偏振分光棱镜（4）对应的的分光光路分别与半导体光放大器芯片（1）输出端面形成谐振腔；可调谐信号光v_p方向设置有可以使可调谐信号光v_p反射腔镜面（6-1）与半导体光放大器芯片（1）形成的谐振腔实现光学腔长发生变化的激光器相位调节元件（7）；

所述的拍频微波信号的检测稳频系统包含有可调频率检测器（10）和固定频率检测器（11）；其中，可调频率检测器（10）和固定频率检测器（11）分别对应放置于可调谐信号光v_p反射腔镜面（6-1）和固定频率激光信号v_s反射腔镜面（6-2）的后端，并且同偏振分光棱镜（4）的两路分光光路分别相对应；

所述的整个系统的控制单元（12）包含有与可调频率检测器（10）和固定频率检测器（11）相连接的读取模块，与读取模块相连接的运算模块，以及与运算模块、激光器相位调节元件（7）、可调滤波器（5）、可控半波片（3）以及可调频率检测器（10）相连接的驱动模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于双频激光器的光生可调谐微波源，其特征在于：

所述的激光器相位调节元件（7）为固定于可调谐信号光v_p反射腔镜面（6-1）上、可以带动反射镜（6）沿垂直于v_p信号光反射腔镜面（6-1）方向移动的位移控制元件。

3.根据权利要求1所述的一种基于双频激光器的光生可调谐微波源，其特征在于：

所述激光器相位调节元件（7）是置于偏振分光棱镜（4）和v_p信号光反射腔镜面（6-1）之间光路的折射率可变控制元件，该折射率可变控制元件可以改变v_p信号光谐振腔内的有效折射率。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于双频激光器的光生可调谐微波源，其特征在于：

所述半导体光放大器芯片(1)的输出端镀有部分反射膜，其另一端镀有增透膜；所述的固定频率激光信号v_s反射腔镜面(6-2)上镀有反射膜，其固定频率激光信号v_s的波长根据固定频率激光信号v_s反射腔镜面(6-2)所镀的窄带反射膜反射峰位置所确定。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种基于双频激光器的光生可调谐微波源，其特征在于：

所述的可调谐信号光v_p反射腔镜面(6-1)和固定频率激光信号v_s反射腔镜面(6-2)的反射面具有可以实现光信号经过反射面时有足够功率的激光信号分配给可调频率检测器(10)和固定频率检测器(11)使用的透过率。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种基于双频激光器的光生可调谐微波源，其特征在于：

所述的可调频率检测器(10)包括第一分光片(10-1)、温度可调标准具(10-3)、第一光电探测器(10-2)、第二光电探测器(10-4)；温度可调标准具(10-3)上设置有加热元件(10-5)，温度可调标准具(10-3)、第二光电探测器(10-4)依次设置于第一分光片(10-1)的一路分光光路中，第一光电探测器(10-2)设置于第一分光片(10-1)的另一路分光光路中；

所述的固定频率检测器(11)包括第二分光片(11-1)、温度固定标准具(11-3)、第三光电探测器(11-2)、第四光电探测器(11-4)；温度固定标准具(11-3)、第四光电探测器(11-4)依次设置于第二分光片(11-1)的一路分光光路中，第三光电探测器(11-2)设置于第二分光片(11-1)的另一路分光光路中。

7.如权利要求2所述的一种基于双频激光器的光生可调谐微波源，其特征在于：所述位移控制元件为压电陶瓷或者步进电机。

8.如权利要求1或2或3所述的一种基于双频激光器的光生可调谐微波源，其特征在于：所述可控半波片（3）是基于电光响应或者热光效应或者应力感应的半波片。

9.如权利要求1所述一种基于双频激光器的光生可调谐微波源的稳频控制方法，其特征在于：

1）确认固定频率检测器中的激光频率v_s的真实频率值，将微波信号频率目标值与v_s真实频率值相加得到所需要的v_p频率目标值；

2）将可调频率检测器中的温度可调标准具设置到v_p频率目标值对应的温度，当温度可调标准具温度值稳定后，采用相位调节控制v_p信号光谐振腔的光学腔长，控制单元实时地采集并计算第三光电探测器和第四光电探测器的比值，当其比值满足所需v_p频率目标值所对应的第三光电探测器和第四光电探测器的定标比值时，停止相位调节并使其保持在当下位置；

3）比较第一光电探测器和第三光电探测器分别检测到v_p、v_s两个频率激光的功率值，当两者不相等时，控制单元驱动调节可控半波片,使第一光电探测器和第三光电探测器输出功率保持一致。

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