CN105890780A - 一种用于锁定激光差频的光学微波鉴频器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于锁定激光差频的光学微波鉴频器及方法，光学微波鉴频器包括光纤耦合器，接收和混合两台激光器发出的激光并产生和输出两个光信号和第二光信号；光电二极管模块将两个光信号转换成两个微波信号，其中一个微波信号经过微波移相器，然后经过移相的微波信号和未经移相的微波信号进入90°微波电桥混合产生第一电桥信号和第二电桥信号，通过归一化平衡检测模块产生误差信号；再通过控制模块产生电压控制信号，再将电压控制信号发送到第二激光器，控制模块同时分别对第二激光器的频率和微波移相器的相移进行调谐。本发明不需要任何的昂贵的射频源，可用于不同的锁定精度要求，并且能够提供可靠的，稳定的频率锁定及调谐。

Description

一种用于锁定激光差频的光学微波鉴频器及方法

技术领域

本发明属于差频锁定技术领域，特别是涉及一种用于锁定激光差频的光学微波鉴频器及方法。

背景技术

在很多应用中，例如基于受激布里渊散射的分布式温度/应力的传感系统，又如用光学方法产生的高频微波，两激光器间精确的锁定都是很关键的。近年来，市场上已经有极窄线宽(几KHz)的DFB激光器，然而，两个独立的不同步的激光器之间，差频会在几十MHz范围内漂移。本发明就是关于两个独立的激光器之间的差频锁定技术。

布里渊分布式传感器制造商O-Z optics为锁定差频而开发了一种比例-积分-微分(PID)控制器，用一个可调的光纤延迟线来机械地调谐频率，利用光纤延迟线产生的机械调谐不但精度低、速度低，而且可重复性差。光学锁相环技术是一种控制两束激光之间的差频的方法，需要昂贵的射频源及射频器件。光注入锁定技术是另一项可以产生高质量微波信号的技术，它用射频信号调制一束主激光，然后注入调制过的高阶光谱来锁定两束从属激光，这项需要射频源和多台激光器的技术是非常复杂和昂贵的。基于外部射频调制产生微波信号，使用高阶调制器来产生高频微波，虽然只需要一台激光器，但仍然需要昂贵的射频源。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术的不足，提供一种用于锁定激光差频的光学微波鉴频器及方法。

一种用于锁定激光差频的光学微波鉴频器，包括光纤耦合器、光电二极管模块、微波移相器、90°微波电桥、归一化平衡检测模块和控制模块；

所述光纤耦合器接收并混合来自第一激光器发出的第一束激光和来自第二激光器发出的第二束激光，并由此产生相应的第一光信号和第二光信号，两个光信号是独立的，所述第一光信号通过光纤耦合器第一输出端输出，所述第二光信号通过光纤耦合器第二输出端输出；

所述光电二极管模块包括第一光电二极管和第二光电二极管，所述第一光电二极管与光纤耦合器第一输出端连接，接收第一光信号，并将第一光信号转换成第一微波信号，第二光电二极管与光纤耦合器第二输出端连接，接收第二光信号，并将第二光信号转换成第二微波信号，第一微波信号和第二微波信号分别通过第一光电二极管输出端和第二光电二极管输出端输出；

所述微波移相器和第二光电二极管输出端连接，用来接收第二微波信号，并使其产生相移，然后将经过移相后的微波信号输出；

所述90°微波电桥包括电桥第一输入端、电桥第二输入端、电桥第一输出端和电桥第二输出端，所述电桥第一输入端连接第一光电二极管输出端接收第一微波信号，所述电桥第二输入端连接微波移相器接收经过移相后的微波信号；90°微波电桥将第一微波信号和移相后的第二微波信号混合，产生第一电桥信号，并由电桥第一输出端输出,同时产生的第二电桥信号由电桥第二输出端输出；

所述归一化平衡检测模块与电桥第一输出端和第二输出端连接，接收第一电桥信号和第二电桥信号，在归一化平衡检测模块中将第一电桥信号和第二电桥信号进行运算，从而产生和输出误差信号；

所述控制模块与归一化平衡检测模块连接，接收误差信号，并根据误差信号产生电压控制信号，所述控制模块将电压控制信号发送到第二激光器，用以调整第二束激光的频率；所述控制模块同时将电压控制信号发送到微波移相器，用以调整相移大小。

所述光电二极管模块转换输出的第一微波信号的频率和第二微波信号的频率相同，等于第一激光器和第二光器之间的差频。

所述第一电桥信号和第二桥信号之间的相位差由以下公式得到：

$\mathrm{\Φ}\left(V\right):=2\·\mathrm{\π}\·\frac{OPD}{c}\·fB+\mathrm{\θ}\left(V\right)$

其中θ(V)是微波移相器所产生的相移；OPD是第一光信号和第二光信号之间的光程差；fB是第一激光器和第二光器之间的差频；c是光纤中的光速。

所述归一化平衡检测模块产生的误差信号由以下公式得到：

$U(V,fB):=cos\[(2\·\mathrm{\π}\·\frac{OPD}{c}\·fB)+\mathrm{\θ}\left(V\right)\]$

其中θ(V)是微波移相器所产生的相移；OPD是第一光信号和第二光信号之间的光程差；fB是第一激光器和第二光器之间的差频；c是光纤中的光速。

所述归一化平衡检测模块包括第一微波二极管、第二微波二极管和处理器，所述第一微波二极管连接电桥第一输出端，接收第一电桥信号并产生C1信号；第二微波二极管连接电桥第二输出端，接收第二电桥信号并产生C2信号；处理器分别与第一微波二极管和第二微波二极管连接，并将C1和C2信号采用公式：(C1-C2)/(C1+C2)进行运算。

一种光学微波鉴频器用于锁定激光差频的方法，包括以下步骤：

(1)首先由光纤耦合器接收并混合来自第一激光器发出的第一束激光和来自第二激光器发出的第二束激光，并由此产生相应的第一光信号和第二光信号，并通过光纤耦合器第一输出端和光纤耦合器第二输出端输出；

(2)光电二极管模块的第一光电二极管和第二光电二极管分别连接光纤耦合器第一输出端和第二输出端，以便接收第一光信号和第二信号，所述光电二极管模块将第一光信号和第二光信号分别转换成第一微波信号和第二微波信号；第一微波信号和第二微波信号分别通过第一光电二极管输出端和第二光电二极管输出端输出；

(3)微波移相器连接第二光电二极管输出端，用来接收第二微波信号，第二微波信号通过微波移相器产生移相的微波信号，然后输出移相后的微波信号；

(4)90°微波电桥包括电桥第一输入端、电桥第二输入端、电桥第一输出端和电桥第二输出端，所述电桥第一输入端与第一光电二极管输出端连接用来接收第一微波信号，所述电桥第二输入端与微波移相器连接用来接收移相后的微波信号；90°微波电桥将第一微波信号和移相后的第二微波信号混合，产生的第一电桥信号由电桥第一输出端输出，同时产生的第二电桥信号由电桥第二输出端输出；

(5)归一化平衡检测模块与电桥第一输出端和电桥第二输出端连接，接收第一电桥信号和第二电桥信号，在归一化平衡检测模块中将第一电桥信号和第二电桥信号进行运算，从而产生和输出误差信号；

(6)控制模块与归一化平衡检测模块连接，接收误差信号，并根据误差信号产生电压控制信号，所述控制模块将电压控制信号发送到第二激光器，用以调整第二束激光的频率；所述控制模块同时将电压控制信号发送到微波移相器，用以调整相移大小。

本发明的有益效果：

本发明提出了一种用于锁定激光差频的光学微波鉴频器及方法，具有以下优点：

(1)巨大的光程差提供了超高的频率分辨率的可能性。

(2)微波移相器提供了快速的、准确的并且稳定的干涉调谐。

(3)微波移相器为确保频率的稳定性和准确性形成了一个锁定微波频率的闭合控制环路。

(4)频率测定的时间就是微波移相器中寻址的时间，微波移相器的调谐带宽是2GHz，因此，它主要取决于有效的信噪比，归一化平衡检测可以有效地抑制激光中的强度噪声从而极大的提高了信噪比。

(5)微波移相器的读出点总在光学微波鉴频器的零输出点来确保最佳的检测灵敏度。

(6)引入光程差的单模光纤的热系数大概为10^-6/℃，以10GHz为例，如果把光纤温度控制在0.1℃以内，微波频率的分辨率可以达到1KHz。

本发明不需要任何的昂贵的射频源，可用于不同的锁定精度要求，并且能够提供可靠的，稳定的频率锁定及调谐。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明用于锁定激光差频的光学微波鉴频器的结构示意图。

图2为本发明误差信号与第一激光器和第二激光器差频的关系示意图。

图3是本发明中光纤耦合器的结构示意图。

图4是本发明中光电二极管模块的结构示意图。

图5是本发明中90°微波电桥的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明进一步说明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提供了一种用于激光差频的光学微波鉴频器和方法，所述光学微波鉴频器包括光纤耦合器、光电二极管模块、微波移相器、90°微波电桥、归一化平衡检测模块和控制模块。

如图1所示，光纤耦合器连接两个激光器，并输出两束混合激光，光电二极管模块的第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2将两束混合激光转换成两个微波信号，两个微波信号的频率fB＝fB1＝fB2，为两个激光器之间的差频。其中一个微波信号经过微波移相器，然后经过移相的微波信号和未经移相的微波信号进入90°微波电桥混合产生第一电桥信号和第二电桥信号，实际上，90°微波电桥类似于马赫光学微波干涉仪，90°微波电桥两路输出，类似于干涉仪的两路输出，两路输出的第一电桥信号和第二电桥信号的相位差由下列公式得到：

$\mathrm{\Φ}\left(V\right):=2\·\mathrm{\π}\·\frac{OPD}{c}\·fB+\mathrm{\θ}\left(V\right)$

其中θ(V)是微波移相器所产生的相移；OPD是第一光信号和第二光信号之间的光程差；fB是第一激光器和第二光器之间的差频；c是光纤中的光速。

归一化平衡检测技术就是应用从第一微波二极管和第二微波二极管输出的C1和C2，经过运算后得到误差信号U(V)，其公式为：

$U(V,fB):=cos\[(2\·\mathrm{\π}\·\frac{OPD}{c}\·fB)+\mathrm{\θ}\left(V\right)\]$

其中θ(V)是微波移相器所产生的相移；OPD是第一光信号和第二光信号之间的光程差；fB是第一激光器和第二光器之间的差频；c是光纤中的光速。

如图2所示，U(V)＝0(θ(V)＝90°时)作为频率锁定点，对于任意fB，在微波移相器范围内，光学微波鉴频器都输出一个误差信号U，这样就有一个电压控制信号V被加到第二激光器上，利用负反馈闭环控制系统对其频率进行调整，这样误差信号就会减小，在锁定点，微波移相器上的读数(V)，就是差频，也就是微波频率。

两个光路之间的光程差OPD决定了一个自由光谱范围FSR，FSR由以下公式得到：

$FSR:=\frac{c}{OPD}$

如果Δφ表示微波移相器的分辨率，那么它的整个的频率解析度就是2π/Δφ，其频率分辨率的计算公式为：

$\mathrm{\Δ}fB:=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}\·c}{2\·\mathrm{\π}OPD}|$

从理论上来说，增加光纤长度，就是增加了OPD，就能提高频率分辨率，这对于微波电缆来说是很难达到的。

如图3所示，光纤耦合器接收和混合了来自第一激光器的第一束激光和来自第二激光器的第二束激光，然后光纤耦合器通过其第一输出端和第二输出端，分别产生和输出了第一光信号和第二光信号。

如图4所示，光电二极管模块包括第一光电二极管和第二光电二极管，所述第一光电二极管与光纤耦合器第一输出端连接，接收第一光信号，并将第一光信号转换成第一微波信号，并通过第一光电二极管输出端输出；第二光电二极管与光纤耦合器第二输出端连接，接收第二光信号，并将第二光信号转换成第二微波信号，并通过第二光电二极管输出端输出。

如图5所示，90°微波电桥包括四个端口：电桥第一输入端、电桥第二输入端、电桥第一输出端和电桥第二输出端，第一桥输入端连接第一光电二极管输出端，并接收第一光电二极管的第一微波信号，第二桥输入端连接了微波移相器，并接收经过移相的第二微波信号，90°微波电桥将第一微波信号和移相后的第二微波信号混合，产生的第一电桥信号由电桥第一输出端输出，同时产生的第二电桥信号由电桥第二输出端输出。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种用于锁定激光差频的光学微波鉴频器，其特征在于：包括光纤耦合器、光电二极管模块、微波移相器、90°微波电桥、归一化平衡检测模块和控制模块；

所述光纤耦合器接收并混合来自第一激光器发出的第一束激光和来自第二激光器发出的第二束激光，并由此产生相应的第一光信号和第二光信号，两个光信号是独立的，所述第一光信号通过光纤耦合器第一输出端输出，所述第二光信号通过光纤耦合器第二输出端输出；

所述光电二极管模块包括第一光电二极管和第二光电二极管，所述第一光电二极管与光纤耦合器第一输出端连接，接收第一光信号，并将第一光信号转换成第一微波信号，并通过第一光电二极管输出端输出；第二光电二极管与光纤耦合器第二输出端连接，接收第二光信号，并将第二光信号转换成第二微波信号，并通过第二光电二极管输出端输出；

所述微波移相器和光电二极管第二输出端连接，用来接收第二微波信号，并使其产生相移，然后将经过移相后的微波信号输出；

所述90°微波电桥包括电桥第一输入端、电桥第二输入端、电桥第一输出端和电桥第二输出端，所述电桥第一输入端连接第一光电二极管输出端接收第一微波信号，所述电桥第二输入端连接微波移相器接收经过移相后的第二微波信号；90°微波电桥将第一微波信号和移相后的第二微波信号混合，产生的第一电桥信号由电桥第一输出端输出，同时产生的第二电桥信号由电桥第二输出端输出；

所述归一化平衡检测模块与电桥第一输出端和第二输出端连接，接收第一电桥信号和第二电桥信号，在归一化平衡检测模块中将第一电桥信号和第二电桥信号进行运算，从而产生和输出误差信号；

所述控制模块连接归一化平衡检测模块，接收误差信号后产生电压控制信号，并将电压控制信号发送到第二激光器，用以调整第二路激光的频率，同时将控制电压发送到微波移相器来调整相移大小。

2.根据权利要求1所述的一种用于锁定激光差频的光学微波鉴频器，其特征在于：所述光电二极管模块转换输出的第一微波信号的频率和第二微波信号的频率相同，等于第一激光器和第二光器之间的差频。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于锁定激光差频的光学微波鉴频器，其特征在于：所述第一电桥信号和第二桥信号之间的相位差由以下公式得到：

$\mathrm{\Φ}\left(V\right):=2\·\mathrm{\π}\·\frac{OPD}{c}\·fB+\mathrm{\θ}\left(V\right)$

其中θ(V)是微波移相器所产生的相移；OPD是第一光信号和第二光信号之间的光程差；fB是第一激光器和第二光器之间的差频；c是光纤中的光速。

4.根据权利要求3所述的一种用于锁定激光差频的光学微波鉴频器，其特征在于：所述归一化平衡检测模块产生的误差信号由以下公式得到：

$U(V,fB):=cos\[(2\·\mathrm{\π}\·\frac{OPD}{c}\·fB)+\mathrm{\θ}\left(V\right)\]$

其中θ(V)是微波移相器所产生的相移；OPD是第一光信号和第二光信号之间的光程差；fB是第一激光器和第二光器之间的差频；c是光纤中的光速。

5.根据权利要求4所述的一种用于锁定激光差频的光学微波鉴频器，其特征在于：所述归一化平衡检测模块包括第一微波二极管、第二微波二极管和处理器，所述第一微波二极管连接电桥第一输出端，接收第一电桥信号并产生C1信号；第二微波二极管连接电桥第二输出端，接收第二电桥信号并产生C2信号；处理器分别与第一微波二极管和第二微波二极管连接，并将C1和C2信号采用公式：(C1-C2)/(C1+C2)进行运算。

6.一种光学微波鉴频器用于锁定激光差频的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)首先由光纤耦合器接收并混合来自第一激光器发出的第一束激光和来自第二激光器发出的第二束激光，并由此产生相应的第一光信号和第二光信号，并通过光纤耦合器第一输出端和光纤耦合器第二输出端输出；

(2)光电二极管模块的第一光电二极管和第二光电二极管分别连接光纤耦合器第一输出端和第二输出端，以便接收第一光信号和第二信号，所述光电二极管模块将第一光信号和第二光信号分别转换成第一微波信号和第二微波信号；第一微波信号和第二微波信号分别通过第一个光电二极管输出端口和第二个光电二极管的输出端口输出；

(3)微波移相器连接第二个光电二极管输出端，用来接收第二微波信号，第二微波信号通过微波移相器产生一个移相的微波信号，然后输出移相后的微波信号；

(4)90°微波电桥包括电桥第一输入端、电桥第二输入端、电桥第一输出端和电桥第二输出端，所述电桥第一输入端与第一光电二极管输出端连接用来接收第一微波信号，所述电桥第二输入端与微波移相器连接用来接收移相后的第二微波信号；90°微波电桥将第一微波信号和移相后的微波信号混合，产生的第一电桥信号由电桥第一输出端输出，同时产生的第二电桥信号由电桥第二输出端输出；

(5)归一化平衡检测模块与电桥第一输出端和电桥第二输出端连接，接收第一电桥信号和第二电桥信号，在归一化平衡检测模块中将第一电桥信号和第二电桥信号进行运算，从而产生和输出误差信号；

(6)控制模块连接归一化平衡检测模块，接收误差信号后产生电压控制信号，并将电压控制信号发送到第二激光器，用以调整第二路激光的频率，同时将控制电压发送到微波移相器来调整相移大小。

7.根据权利要求6所述的一种用于锁定激光差频的方法，其特征在于：所述光电二极管模块转换输出的第一微波信号的频率和第二微波信号的频率相同，等于第一激光器和第二光器之间的差频。

8.根据权利要求7所述的一种用于锁定激光差频的方法，其特征在于：所述第一电桥信号和第二桥信号之间的相位差由以下公式得到：

$\mathrm{\Φ}\left(V\right):=2\·\mathrm{\π}\·\frac{OPD}{c}\·fB+\mathrm{\θ}\left(V\right)$

其中θ(V)是微波移相器所产生的相移；OPD是第一光信号和第二光信号之间的光程差；fB是第一激光器和第二光器之间的差频；c是光纤中的光速。

9.根据权利要求8所述的一种用于锁定激光差频的方法，其特征在于：所述归一化平衡检测模块产生的误差信号由以下公式得到：

$U(V,fB):=cos\[(2\·\mathrm{\π}\·\frac{OPD}{c}\·fB)+\mathrm{\θ}\left(V\right)\]$

其中θ(V)是微波移相器所产生的相移；OPD是第一光信号和第二光信号之间的光程差；fB是第一激光器和第二光器之间的差频；c是光纤中的光速。

10.根据权利要求9所述的一种用于锁定激光差频的方法，其特征在于：所述归一化平衡检测模块包括第一微波二极管、第二微波二极管和处理器，所述第一微波二极管连接电桥第一输出端，接收第一电桥信号并产生C1信号；第二微波二极管连接电桥第二输出端，接收第二电桥信号并产生C2信号；处理器分别与第一微波二极管和第二微波二极管连接，并将C1和C2信号采用公式：(C1-C2)/(C1+C2)进行运算。