CN108923226A - 一种微波源及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波源及其使用方法，所述微波源包括沿着光路依次设置的半导体激光器、准直透镜、光电调制器和分束器，分束器的出射光路的数量为至少两个，分束器的每个出射光路上分别设置有RCE谐振腔，RCE谐振腔的出射光路的汇聚点处设置有光探测器，光探测器、电放大器、电滤波器和定向耦合器依次连接，定向耦合器与光电调制器连接，其采用不同腔长的RCE光学谐振腔组成多个光滤波环路，有效抑制了光电振荡器中微波输出信号的杂散水平，降低了相位噪声，其杂散波抑制水平好，成本较低，方便调节光路，能够获得极低的相位噪声。

Description

一种微波源及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种微波源，尤其涉及一种能够对振荡微波信号的杂散进行大幅抑制的微波源及其使用方法。

背景技术

目前，低相噪、高稳定度的微波频率源被广泛的应用与雷达、通信计量等领域，是现代电子器件的核心部件。微波源的获得一般有三种方式：一、标准晶体振荡器倍频方式；二、利用介质的低损耗，设计成高Q值的介质谐振腔，构建正反馈放大电路，并对相位和幅度进行控制，提高输出信号的稳定度。如专利号为ZL201510357893.X的专利文献，及“Ultra-low vibration pulse-tube cryocooler stabilized cryogenic sapphire oscillatorwith 10^-16fractional frequency stability”,IEEE TRANS.ON MICROWAVE THEORY ANDTECHNIQUES,VOL.10,NO.1，2010所公开的内容。三、采用光生微波的方式。主要有两类：(1)将超稳激光锁定在高稳光学谐振腔上，并通过光梳转换至所需的频率；如“Generation ofultrastable microwaves via optical frequency division”，Nature Photonics,DOI:10.1038/NPHOTON.2011.121所公开的内容。(2)光电振荡器的方法；利用光纤或光滤波器对光进行滤波，并将光信号转换至电信号，将电信号放大后加载至激光器的调制器，形成振荡环路。上述方案中，第一种方案是现有技术中最成熟的方法，但相噪指标和稳定度指标较差。第二种方案具有极高的稳定度指标和相噪指标，但其设备体积和重量大，应用场合较小。第三种方案中超稳激光器锁定在光学谐振腔上的方法可以获得极高的稳定度和相噪指标，但由于激光器的波长漂移和老化，连续运行时间较短，光路结构复杂且成本高昂。光电振荡器的方案能够获得较好的相噪指标，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(一般由光纤或微纳结构光滤波腔构成)、光探测器、电放大器、光调制器等构成；依据主要的工作原理，选择不同器件可以构建多种光电振荡器用于产生高品质的微波信号。如专利号位ZL201010102017.X的专利文献公开的方案，利用采用有源BRAGG光纤与波分复用器及激光器等期间构成了低相噪窄线宽可精确调谐光纤化的激光微波源；如专利号为ZL201410299327.3的专利文献公开的方案，利用半导体双模激光器搭建了优质可调谐微波源，摆脱了外微波源的需求；如专利号为ZL201510212059.1的专利文献公开的方案，采用激光器注入锁相模块及导频控制以补偿光电回路的时延波动。采用光纤作为光储能器件，容易受到温度和压力的影响，影响整机性能及输出微波信号的频率稳定度；而微纳结构的光储能器件加工复杂，成本较大，且激光器与微纳结构的耦合调节复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微波源及其使用方法，以解决现有技术中所存在的光电振荡器中微波输出信号的杂散水平较高，相位噪声较大的问题。

为实现上述目的，本发明一方面提供一种微波源，所述微波源包括沿着光路依次设置的半导体激光器、准直透镜、光电调制器和分束器，分束器的出射光路的数量为至少两个，分束器的每个出射光路上分别设置有RCE谐振腔，RCE谐振腔的出射光路的汇聚点处设置有光探测器，光探测器、电放大器、电滤波器和定向耦合器依次连接，定向耦合器与光电调制器连接。

本发明的微波源，使用时，按照图1所示进行光路组装，半导体激光器发出的光线经过准直透镜后进行准直，使得半导体激光器的光线发散角减小；准直后的光经过光电调制器进行调整，然后通过分束器进行分束，根据实施结果中微波信号的杂散水平可以采用1：2～1：4的比例进行分束；然后调节RCE谐振腔的方向，使出射光进入光探测器，将光信号转换为电信号；如采用RCE(谐振腔增强型)的探测器，则不需要使用光探测器；电信号经过电放大器后，进行放大，并通过电滤波器进行滤波，通过定向耦合器后，一路加载至准直透镜上，该环路为一正反馈振荡环路，另一路为微波输出信号。

本发明另一方面提供一种微波源的使用方法，包括以下步骤：

将半导体激光器、准直透镜、光电调制器和分束器依次放置在光学平台或机箱内；

将半导体激光器、准直透镜、光电调制器和分束器分别通过固定架固定在所述光学平台或机箱内；

调节半导体激光器和准直透镜，使得准直透镜的焦点位于半导体激光器的发光平面，使得准直透镜的出射光束为平行光束；

调节光电调制器和准直透镜的位置，使得准直透镜的出射光束能够以最大的耦合系数进入到光电调制器内；

调节分束器的位置和角度，使得光强按照分束器的分配比例进行分配；

调节RCE谐振腔的位置，使其对入射光线进行滤波，并将RCE谐振腔的输出光输入到光探测器中，产生电信号；

将光探测器、电放大器、电滤波器和定向耦合器依次连接，将定向耦合器与光电调制器连接，在定向耦合器的输出端进行信号测试。

本发明的微波源的使用方法，根据所需频段的微波信号选择相应的器件，经过上述调节过程，可以获得低相噪低杂散的高质量微波信号。

本发明具有如下优点：

本发明的微波源及其使用方法，能够解决现有技术中所存在的光电振荡器中微波输出信号的杂散水平较高，相位噪声较大的问题，其采用不同腔长的RCE光学谐振腔组成多个光滤波环路，有效抑制了光电振荡器中微波输出信号的杂散水平，降低了相位噪声，其杂散波抑制水平好，成本较低，方便调节光路，能够获得极低的相位噪声。

附图说明

图1为本发明的微波源的结构示意图。

图中，1为半导体激光器，2为准直透镜，3为光电调制器，4为分束器，5为RCE谐振腔，6为光探测器，7为电放大器，8为电滤波器，9为定向耦合器。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

一种微波源，如图1所示，所述微波源包括沿着光路依次设置的半导体激光器1、准直透镜2、光电调制器3和分束器4，其特征在于，分束器4的出射光路的数量为至少两个，分束器4的每个出射光路上分别设置有RCE谐振腔5，RCE谐振腔5的出射光路的汇聚点处设置有光探测器6，光探测器6、电放大器7、电滤波器8和定向耦合器9依次连接，定向耦合器9与光电调制器3连接。

本实施例的微波源，使用时，按照图1所示进行光路组装，半导体激光器1发出的光线经过准直透镜2后进行准直，使得半导体激光器1的光线发散角减小；准直后的光经过光电调制器3进行调整，然后通过分束器4进行分束，根据实施结果中微波信号的杂散水平可以采用1：2～1：4的比例进行分束；然后调节RCE谐振腔5的方向，使出射光进入光探测器6，将光信号转换为电信号；如采用RCE谐振腔增强型的探测器，则不需要使用光探测器6；电信号经过电放大器7后，进行放大，并通过电滤波器8进行滤波，通过定向耦合器9后，一路加载至准直透镜2上，该环路为一正反馈振荡环路，另一路为微波输出信号。

其中，RCE谐振腔5、分束器4均可以采用光电子领域现有技术有售的标准器件，电放大器7可以根据所需产生的微波进行选择现有产品，例如，要产生X波段的微波就选择X波段的电放大器7，要产生ka波段的微波就选择Ka波段的电放大器7。

实施例2

一种微波源，与实施例1相似，所不同的是，分束器4的分束比例为1:2～1:4。

进一步的，RCE谐振腔5的数量与分束器4的分束比例的倒数相等。

进一步的，半导体激光器1、准直透镜2、光电调制器3和分束器4均放置在光学平台或机箱内。

进一步的，半导体激光器1、准直透镜2、光电调制器3和分束器4分别安装在固定架上，所述固定架分别固定在所述光学平台或机箱内。

需要说明的是，半导体激光器1、准直透镜2、光电调制器3和分束器4的固定架可以设置有移动机构和旋转机构，以对上述器件进行移动调节和旋转调节。所述移动机构可以为滑轮或万向轮，即在所述固定架底部设置有至少三个均匀分布的万向轮，所述万向轮的轮体和轮轴之间可以设置有定位用螺栓，即可以在轮体和轮轴上分别设置有定位螺孔，定位螺孔内设置有定位螺栓。所述旋转机构可以为设置在所述固定架底部的旋转轴，所述旋转轴可以伸入到所述万向轮上方连接的轴套内，轴套和旋转轴之间可以设置有定位用螺栓，即可以在轴套的侧壁和旋转轴的侧壁上分别设置有定位螺孔，在轴套侧壁上的定位螺孔内设置定位螺栓，即旋转轴连接在固定架底部，万向轮设置在轴套的下端。轴套的下端可以与万向轮上部的轮座连接。旋转轴与固定架可以通过螺栓连接，旋转轴与固定架可以为通过焊接结构连接的金属件。轴套与万向轮的轮座通过螺栓连接，轴套与轮座可以为通过焊接结构连接的金属件。

进一步的，RCE谐振腔5、光探测器6、电放大器7、电滤波器8和定向耦合器9均放置在光学平台或机箱内。

进一步的，RCE谐振腔5、光探测器6、电放大器7、电滤波器8和定向耦合器9分别安装在固定架上，所述固定架分别固定在所述光学平台或机箱内。

需要说明的是，RCE谐振腔5、光探测器6、电放大器7、电滤波器8和定向耦合器9的固定架与上述半导体激光器1、准直透镜2、光电调制器3和分束器4的固定架的结构可以相同，即也可以包括上述旋转机构和移动机构。

进一步的，半导体激光器1、准直透镜2、光电调制器3和分束器4的光轴重合。

进一步的，准直透镜2为双凸透镜。

实施例3

一种如实施例1或实施例2所述的微波源的使用方法，包括以下步骤：

将半导体激光器1、准直透镜2、光电调制器3和分束器4依次放置在光学平台或机箱内；

将半导体激光器1、准直透镜2、光电调制器3和分束器4分别通过固定架固定在所述光学平台或机箱内；

调节半导体激光器1和准直透镜2，使得准直透镜2的焦点位于半导体激光器1的发光平面，使得准直透镜2的出射光束为平行光束；

调节光电调制器3和准直透镜2的位置，使得准直透镜2的出射光束能够以最大的耦合系数进入到光电调制器3内；

调节分束器4的位置和角度，使得光强按照分束器4的分配比例进行分配；

调节RCE谐振腔5的位置，使其对入射光线进行滤波，并将RCE谐振腔5的输出光输入到光探测器6中，产生电信号；

将光探测器6、电放大器7、电滤波器8和定向耦合器9依次连接，将定向耦合器9与光电调制器3连接，在定向耦合器9的输出端进行信号测试。

需要说明的是，光探测器6、电放大器7、电滤波器8和定向耦合器9可以根据所需产生的微波进行选择现有产品；对上述器件进行旋转或移动调节时，可以采用实施例2中所述的固定架的旋转机构和移动机构进行操作。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种微波源，所述微波源包括沿着光路依次设置的半导体激光器(1)、准直透镜(2)、光电调制器(3)和分束器(4)，其特征在于，分束器(4)的出射光路的数量为至少两个，分束器(4)的每个出射光路上分别设置有RCE谐振腔(5)，RCE谐振腔(5)的出射光路的汇聚点处设置有光探测器(6)，光探测器(6)、电放大器(7)、电滤波器(8)和定向耦合器(9)依次连接，定向耦合器(9)与光电调制器(3)连接。

2.如权利要求1所述的微波源，其特征在于，分束器(4)的分束比例为1:2～1:4。

3.如权利要求2所述的微波源，其特征在于，RCE谐振腔(5)的数量与分束器(4)的分束比例的倒数相等。

4.如权利要求1所述的微波源，其特征在于，半导体激光器(1)、准直透镜(2)、光电调制器(3)和分束器(4)均放置在光学平台或机箱内。

5.如权利要求4所述的微波源，其特征在于，半导体激光器(1)、准直透镜(2)、光电调制器(3)和分束器(4)分别安装在固定架上，所述固定架分别固定在所述光学平台或机箱内。

6.如权利要求1所述的微波源，其特征在于，RCE谐振腔(5)、光探测器(6)、电放大器(7)、电滤波器(8)和定向耦合器(9)均放置在光学平台或机箱内。

7.如权利要求6所述的微波源，其特征在于，RCE谐振腔(5)、光探测器(6)、电放大器(7)、电滤波器(8)和定向耦合器(9)分别安装在固定架上，所述固定架分别固定在所述光学平台或机箱内。

8.如权利要求1所述的微波源，其特征在于，半导体激光器(1)、准直透镜(2)、光电调制器(3)和分束器(4)的光轴重合。

9.如权利要求1所述的微波源，其特征在于，准直透镜(2)为双凸透镜。

10.一种如权利要求1-9中任一项所述的微波源的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

将半导体激光器(1)、准直透镜(2)、光电调制器(3)和分束器(4)依次放置在光学平台或机箱内；

将半导体激光器(1)、准直透镜(2)、光电调制器(3)和分束器(4)分别通过固定架固定在所述光学平台或机箱内；

调节半导体激光器(1)和准直透镜(2)，使得准直透镜(2)的焦点位于半导体激光器(1)的发光平面，使得准直透镜(2)的出射光束为平行光束；

调节光电调制器(3)和准直透镜(2)的位置，使得准直透镜(2)的出射光束能够以最大的耦合系数进入到光电调制器(3)内；

调节分束器(4)的位置和角度，使得光强按照分束器(4)的分配比例进行分配；

调节RCE谐振腔(5)的位置，使其对入射光线进行滤波，并将RCE谐振腔(5)的输出光输入到光探测器(6)中，产生电信号；

将光探测器(6)、电放大器(7)、电滤波器(8)和定向耦合器(9)依次连接，将定向耦合器(9)与光电调制器(3)连接，在定向耦合器(9)的输出端进行信号测试。