CN108879295A - 一种高稳定度光电振荡器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种高稳定度光电振荡器，包括激光器、调制单元、偏振单元、第一FP标准具、第二FP标准具、光电转换单元、放大单元、滤波单元、耦合单元组成的振荡回路。调制激光信号分解为第一、第二偏振光信号，分别经第一FP标准具和第二FP标准具生成两路峰值波长不同的光信号，经光电转换单元输出微波振荡信号合并输入至放大单元；再经滤波单元、耦合单元送至调制单元。本发明还包含控制方法，调节第一偏振光、第一FP标准具、第二偏振光、第二FP标准具的角度、位置，使所述微波振荡信号的Q值最大。本发明可解决光电振荡器生成的微波振荡信号稳定度容易受到温度和压力变化影响的不足，实现结构简单、稳定性高的微波源。

Description

一种高稳定度光电振荡器及控制方法

技术领域

本申请涉及微波技术领域，尤其涉及一种高稳定度光电振荡器及控制方法。

背景技术

在雷达、通信、计量等领域的电子器件中，低相噪、高稳定度的微波频率源是核心部件。光电振荡器是一种当前使用较为普遍的微波频率源产生装置，比传统方法的相噪指标更好，且结构紧凑、连续工作时间长，应用范围较广。光电振荡器主要的组成部分由激光器、光滤波腔、光探测器、电放大器、光调制器等构成。

目前，光滤波腔一般由光纤或微纳结构光滤波腔构成：例如，有源BRAGG光纤与波分复用器及激光器等构成的低相噪窄线宽可精确调谐光纤化的激光微波源。还有的采用自锁定式光电振荡器，将激光器的光谱锁定在环路高阶边带上，并经过光滤波腔选模，产生自锁定效益等方式。但如果光储能器件采用光纤，输出的微波振荡信号频率稳定度容易受到温度和压力变化的影响；如果光储能器件采用微纳结构，则加工复杂，成本较大，且激光器与微纳结构的耦合调节复杂。光滤波腔本身也容易受到温度的扰动，使得光滤波腔的中心波长发生波动，最终影响光电振荡器生成微波振荡信号的稳定度。

因此，对于光电振荡器，急需解决的问题就是：提高光电振荡器生成微波振荡信号的稳定度，解决其容易受到温度和压力变化影响的不足，实现结构简单、稳定性高的光生微波源。

发明内容

为了提高光电振荡器生成微波振荡信号的稳定度，本申请提出一种高稳定度光电振荡器及控制方法。

本申请实施例提供一种高稳定度光电振荡器，包括激光器和振荡回路，所述振荡回路包括调制单元、偏振单元、真空腔体、放大单元、滤波单元、耦合单元；所述真空腔体，包括第一FP标准具、第二FP标准具、光电转换单元。

所述调制单元，用于将微波振荡信号调制在激光器输出光上，产生调制激光信号。

所述偏振单元，用于将所述调制激光信号分解为第一偏振光信号和第二偏振光信号，分别经所述第一FP标准具和第二FP标准具，生成两路峰值波长不同的光信号，经所述光电转换单元输出微波振荡信号，合并输入至所述放大单元。

所述滤波单元，用于将所述放大单元输出的微波振荡信号进行滤波后，输出至所述耦合单元。

所述耦合单元，用于将滤波后的微波振荡信号分为两路，一路送至所述调制单元，另一路输出。

作为本申请进一步优化的实施例，所述高稳定度光电振荡器中，所述第一FP标准具和所述第二FP标准具，用于改变所述第一偏振光信号和所述第二偏振光信号的中心峰值间隔。

作为本申请进一步优化的实施例，所述高稳定度光电振荡器中，所述温控振荡单元还包括壁筒、温度调节器件和控温组件。所述温度调节器件，位于所述壁筒内部，用于调节温控处理单元的内部温度。所述控温组件，位于所述壁筒外部，用于控制所述温度调节器件。

优选的，所述第一偏振光信号与所述第二偏振光信号的偏振方向相互垂直。

优选的，所述温度调节器件是在所述壁筒上缠有的加热丝及固定的热敏电阻。

优选的，所述壁筒表面有镀膜玻璃窗口和真空封接光纤及电接口。

优选的，所述激光器是VCSEL激光器、DFB激光器或飞秒激光器；所述激光器波长是1300nm或1550nm。

优选的，所述真空腔体内真空度小于E-2Pa；所述温控振荡单元内部温度控制精度为1％。

本申请实施例还提供一种高稳定度光电振荡器控制方法，用于本申请任意一项实施例所述装置，包括以下步骤：

调节所述第一偏振光、所述第一FP标准具的角度、位置，使所述微波振荡信号的Q值最大；

调节所述第二偏振光、所述第二FP标准具的角度、位置，使所述微波振荡信号的Q值最大；

对所述真空腔体进行温控处理，温度控制精度保持在1％范围内；

对所述真空腔体进行真空维持，真空度保持在小于E-2Pa范围内。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：现有技术中微波振荡信号频率的稳定度受到温度和压力变化影响比较大，波长在温度影响下也容易发生波动，最终生成的微波振荡信号稳定性差。本发明相对现有技术的优势是：结构简单，用真空密闭腔体将光电转换单元封闭起来，光信号在压力和温度恒定的环境下进行转换为电信号，直接提升了输出微波振荡信号的稳定度。同时，腔体中的频率选择器件采用两组镜子，结构简单，有效降低了经济成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为高稳定度光电振荡器的实施例示意图；

图2为真空腔体的光电转换示意图；

图3为真空腔体的温控装置示意图；

图4是本申请控制方法的实施例流程图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为高稳定度光电振荡器的实施例示意图。本申请实施例提供一种高稳定度光电振荡器，包括激光器10和振荡回路，所述振荡回路包括调制单元20、偏振单元30、真空腔体40、放大单元50、滤波单元60、耦合单元70；所述真空腔体40，包括第一FP标准具41、第二FP标准具42、光电转换单元43。

优选的，所述激光器是VCSEL激光器、DFB激光器或飞秒激光器；所述激光器波长是1300nm或1550nm。

所述调制单元20，用于将微波振荡信号调制在激光器输出光上，产生调制激光信号。

需要说明的是，所述调制单元20的工作波段，根据振荡回路最终输出微波振荡信号的波段确定，实现对激光信号进行频率选择。

例如：所述微波振荡信号是X波段，则调制单元相应的输出调制为X波段；所述微波振荡信号是K波段，则调制单元相应的输出调制为K波段。

所述偏振单元30，用于将所述调制激光信号分解为第一偏振光信号和第二偏振光信号，分别经所述第一FP标准具和第二FP标准具，生成两路峰值波长不同的光信号，经所述光电转换单元输出微波振荡信号，合并输入至所述放大单元50。

需要说明的是，由于FP标准具输出光的半高全宽远小于所述激光器的线宽，所述第一FP标准具和第二FP标准具在所述激光器的线宽范围内进行波长选择，所述第一偏振光信号和所述第二偏振光信号的中心峰值间隔小于所述激光器的线宽。所述第一偏振光信号和所述第二偏振光信号调制有相同的微波振荡信号，经所述第一FP标准具和第二FP标准具处理后，杂散波抑制比被优化。

所述滤波单元60，用于将放大单元输出的微波振荡信号进行滤波后，输出至耦合单元。

需要说明的是，所述滤波单元60的工作波长和带宽决定输出的微波振荡信号频率。

例如：第二微波振荡信号为X波段，则滤波单元中心波长与X波段波长相同。可选择滤波器带宽小于200MHZ。

所述耦合单元70，用于将滤波后的微波振荡信号分为两路，一路送至所述调制单元，另一路输出。

所述耦合单元7020与所述调制单元20、偏振单元30、温控振荡单元40、放大单元50、滤波单元60组成正反馈振荡环路。

当该振荡回路增益大于损耗时，形成正反馈振荡环路；在耦合单元70的输出端能够观测到微波振荡信号，频率在滤波单元60的中心频率处。

图2是真空腔体的光电转换示意图。真空腔体40内有两套不同腔长的FP标准具，标准具由相对设置的镜子组成。所述第一FP标准具41和所述第二FP标准具42，分别包括一组相对且距离不同的镜子，A1、A2和B1、B2，用于根据最终输出微波振荡信号的杂散波抑制比，通过调节两组镜子之间的距离改变两路偏振光信号的中心峰值间隔，从而改变峰值波长。再将两路峰值波长不同的光信号经过光电转换单元进行光电转换，输出两路微波振荡信号合并输入放大单元50。

优选的，所述第一偏振光信号与所述第二偏振光信号的偏振方向相互垂直。例如：偏振单元30将激光信号进行偏振处理，处理为o光和e光两束偏振方向互相垂直的光束输出。真空腔体40内有两套不同腔长的FP标准具，标准具由两组相对设置的镜子组成，分别是A1、A2和B1、B2，o光在A1和A2之间振荡，使e光在B1和B2之间振荡。通过调节两组镜子之间的距离改变两路偏振光信号的中心峰值间隔，从而改变峰值波长。

在本申请进一步优化的实施例中，所述光电转换单元43还包括第一光探测器44、第二光探测器45，将所述第一FP标准具41和第二FP标准具42输出的两路光信号分别进行光电转换后，合并输出至所述放大单元。

图3为温控振荡单元的温控装置示意图。本申请实施例提供一种高稳定度光电振荡器，包括温控振荡单元，所述温控振荡单元包括壁筒46、温度调节器件47和控温组件48。所述壁筒为密闭腔体，第一偏振光信号和第二偏振光信号通过壁筒上的窗口进入其中。

例如：壁筒表面有镀膜玻璃窗口和真空封接光纤及电接口，第一偏振光信号和第二偏振光信号通过镀膜玻璃窗口进入其中。

所述温度调节器件，位于壁筒内部，用于控制所述真空腔体的内部温度。

例如：所述温度调节器件，可以是壁筒上缠的加热丝及固定的热敏电阻，用于保持壁筒内的温度恒定。

所述控温组件，位于所述壁筒外部，用于控制所述温度调节器件进而控制所述真空腔体的内部温度。

例如：所述温度调节器件可以是PID控温组件，位于壁筒外侧，通过调整PID控温组件可以对温度调整器件内部的温度。优选的，所述温控振荡单元内部温度控制精度为1％。

最佳地，所述真空腔体内真空度小于E-2Pa。

图4是本申请控制方法的实施例流程图。按照本申请实施例所述的装置，将各元器件进行装配。注意，调制单元、滤波单元、放大单元均根据所需微波振荡的频段选择。本申请提出的高稳定度光电振荡器控制方法，用于本申请任一项实施例所述的高稳定度光电振荡器，包括以下步骤：

步骤100、调节所述第一偏振光、所述第一FP标准具的角度、位置，使所述第一FP腔的Q值最大，或所述微波振荡信号的Q值最大。

在步骤100中，调节所述第一偏振光的角度，即通过所述偏振单元，调节所述第一偏振光的偏振方向；调节所述第一FP标准具的角度，是指调节所述第一FP标准具与所述偏振单元之间的相对角度，使第一偏振光进入所述第一标准具的强度最大；调整所述第一FP标准具中镜子A1、A2之间的相对角度，使得所述第一FP标准具输出的光强最大；调整所述第一FP标准具的位置，是指调整所述第一FP标准具中镜子A1、A2之间的相对距离，改变所述微波振荡信号的杂散波抑制比。

步骤200、调节所述第二偏振光、所述第二FP标准具的角度、位置，使所述第二FP腔的Q值最大，或所述微波振荡信号的Q值最大。

在步骤200中，调节所述第二偏振光的角度，即通过所述偏振单元，调节所述第二偏振光的偏振方向；调节所述第二FP标准具的角度，是指调节所述第二FP标准具与所述偏振单元之间的相对角度，使第二偏振光进入所述第二标准具的强度最大；调整所述第二FP标准具中镜子B1、B2之间的相对角度，使得所述第二FP标准具输出的光强最大；调整所述第二FP标准具的位置，是指调整所述第二FP标准具中镜子B1、B2之间的相对距离，改变所述微波振荡信号的杂散波抑制比。

步骤300、对所述真空腔体进行温控处理，温度控制精度保持在1％范围内。

温度控制精度在1％，例如可以是，标准工作温度±1％的范围内。例如当所述真空腔体的标准工作温度为30℃时，所述真空腔体的实际工作温度控制在30±0.3℃的范围内。

步骤400、对所述真空腔体进行真空维持，真空度保持在小于E-2Pa范围内。

优选地，对所述真空腔体，用非蒸散吸气剂或小型溅射离子泵维持腔内真空。

需要说明的是，在各部件进行光电连接之前，可独立地进行步骤100～400，由于微波振荡信号还没有产生，在步骤100～200中只能孤立地测量所述第一FP标准具和所述第二FP标准具的Q值。当各部件进行光电连接之后，形成闭环振荡，步骤100～400可循环进行，在步骤100～200均可以测量所述微波振荡信号的Q值，直到所述微波振荡信号的Q值达到最大值。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种高稳定度光电振荡器，其特征在于，包括激光器和振荡回路，所述振荡回路包括调制单元、偏振单元、真空腔体、放大单元、滤波单元、耦合单元；

所述真空腔体，包括第一FP标准具、第二FP标准具、光电转换单元；

所述调制单元，用于将微波振荡信号调制在激光器输出光上，产生调制激光信号；

所述偏振单元，用于将所述调制激光信号分解为第一偏振光信号和第二偏振光信号，分别经所述第一FP标准具和第二FP标准具，生成两路峰值波长不同的光信号，经所述光电转换单元输出微波振荡信号，合并输入至所述放大单元；

所述滤波单元，用于将所述放大单元输出的微波振荡信号进行滤波后，输出至所述耦合单元；

所述耦合单元，用于将滤波后的微波振荡信号分为两路，一路送至所述调制单元，另一路输出。

2.如权利要求1所述的一种高稳定度光电振荡器，其特征在于，所述第一FP标准具和所述第二FP标准具，用于改变所述第一偏振光信号和所述第二偏振光信号的中心峰值间隔。

3.如权利要求1所述的一种高稳定度光电振荡器，其特征在于，所述温控振荡单元还包括壁筒、温度调节器件和控温组件；

所述温度调节器件，位于所述壁筒内部，用于调节温控处理单元的内部温度；

所述控温组件，位于所述壁筒外部，用于控制所述温度调节器件。

4.如权利要求1所述的一种高稳定度光电振荡器，其特征在于，所述第一偏振光信号与所述第二偏振光信号的偏振方向相互垂直。

5.如权利要求3所述的一种高稳定度光电振荡器，其特征在于，所述温度调节器件是在所述壁筒上缠有的加热丝及固定的热敏电阻。

6.如权利要求3所述的一种高稳定度光电振荡器，其特征在于，所述壁筒表面有镀膜玻璃窗口和真空封接光纤及电接口。

7.如权利要求1～6任意一项所述的一种高稳定度光电振荡器，其特征在于，

所述激光器是VCSEL激光器、DFB激光器或飞秒激光器；

所述激光器波长是1300nm或1550nm。

8.如权利要求1～6任意一项所述的一种高稳定度光电振荡器，其特征在于，所述真空腔体内真空度小于E-2Pa。

9.如权利要求1～6任意一项所述的一种高稳定度光电振荡器，其特征在于，所述温控振荡单元内部温度控制精度为1％。

10.一种高稳定度光电振荡器控制方法，用于权利要求1至9任一项所述的高稳定度光电振荡器，其特征在于，包括以下步骤：

调节所述第一偏振光、所述第一FP标准具的角度、位置，使所述微波振荡信号的Q值最大；

调节所述第二偏振光、所述第二FP标准具的角度、位置，使所述微波振荡信号的Q值最大；

对所述真空腔体进行温控处理，温度控制精度保持在1％范围内；

对所述真空腔体进行真空维持，真空度保持在小于E-2Pa范围内。