CN111509557A - 基于超稳腔直接光生微波系统的装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种基于超稳腔直接光生微波的装置，包括窄脉冲激光、声光调制器、第一偏振分光棱镜、二分之一波片、第一反射镜、电光调制器、第二反射镜、滤波器、第二偏振分光棱镜、超稳腔、第三偏振分光棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器、差分器和调制器。本发明将微波信号直接锁定在超稳腔的腔长上，具有结构简单、指标优异的优点，有望实现10^‑15的秒稳定度。

Description

基于超稳腔直接光生微波系统的装置与方法

技术领域

本发明涉及超低噪声微波振荡器领域，微波振荡器用于产生微波射频信号，在微波电路的相关领域有非常重要的作用。

背景技术

超低噪声微波振荡器在原子频标、原子干涉仪、超高精度时频传递等领域具有非常重要的作用，它对冷原子微波钟的短期稳定度起着至关重要的作用。目前主要的超低噪声微波振荡器有低温蓝宝石振荡器和光生微波系统。前者造价很高，只有澳大利亚生产，后者的相关研究更多一些。光生微波是一种在光通信等领域也在应用的方法，普通的光生微波一般采用两束激光拍频的方法产生微波信号(例如CN 104051955 A)。而用于生成超低噪声微波振荡器的光生方案与之不同，采用了超窄线宽激光器加飞秒光梳的方案。其中超窄线宽激光器通过锁定超稳腔或者光纤延时线产生。飞秒光梳是另一项关键技术，飞秒激光器产生飞秒光梳，利用光子晶体光纤等非线性器件扩展频带，然后用基频和2倍频拍频的方法锁定飞秒光梳间隔，再将它的一个频率梳锁定在超窄线宽激光上，通过光电探测的方法探测重复频率，得到超稳微波信号。

但是该方法结构复杂、造价高、对工作环境要求高、并且可靠性差。其中主要的困难在于飞秒光梳，它的价格非常昂贵，而且特别容易失锁。他是影响超低噪声微波振荡器连续运行的重要因素，它的价格和复杂性也阻碍了基于该方案的超低噪声微波振荡器的普及。

发明内容

本发明为弥补现有光生微波方法的不足，提供了一种基于超稳腔直接光生微波的装置及方法。光生微波的原理是将窄线宽激光器锁定在超稳光学腔上，在此基础上，对激光进行调制，让电光调制产生的边带也通过超稳光学腔，探测基频和边带的透射信号，并进行差分，以差分信号锁定调制信号的频率源——微波振荡器，锁定后的振荡器信号输出即是光生微波。它基于超稳腔锁定激光，脱离了飞秒光梳。通过利用调制器来产生边带，将不同调制频率的激光耦合输入超稳腔，其中两个频率的激光锁定在由超低膨胀玻璃制作的高品质因数法布里波罗腔的共振频率上，利用透射信号锁定其中的一束激光，并利用透射信号的差分信号锁定两束激光的频差，这样就可以将调制频率锁定在超稳腔的腔长上，调制信号具有与腔长相同的稳定度，从而得到超低噪声微波信号。该方法简化了系统，降低了造价，同时减少了噪声对于系统稳定度的影响。

本发明通过以下技术方案实现的：

一种基于超稳腔直接光生微波的装置，其特点在于，包括窄脉冲激光、声光调制器、第一偏振分光棱镜、二分之一波片、第一反射镜、电光调制器、第二反射镜、滤波器、第二偏振分光棱镜、超稳腔、第三偏振分光棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器、差分器和调制器；

所述的窄脉冲激光经声光调制器调制后经第一偏振分光棱镜分束为第一反射光束与第一透射光束，所述的第一反射光束依次经二分之一波片、第一反射镜、电光调制器、第二反射镜和滤波器，入射到所述的第二偏振分光棱镜，所述的第二透射光束入射到所述的第二偏振分光棱镜，通过第二偏振分光棱镜合束后，经所述的超稳腔，入射至第三偏振分光棱镜，经该第三偏振分光棱镜分束为第二反射光束与第二透射光束，所述的第一反射光束由第一光电探测器接收转换为第一电信号，所述的第二透射光束由第二光电探测器接收转换为第二电信号并分为两路，一路作为反馈返回到所述的声光调制器，另一路与第一电信号通过差分器做差分，得到的差分信号作为反馈信号经调制器返回电光调制器并输出。

一种基于超稳腔直接光生微波的方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：

①对窄线宽激光器通过(光纤)电光调制的办法进行10GHz的低噪声高频、高调制深度的调制，产生多级边带；

②将窄线宽激光器的候选两个光束分量通过偏振的办法进行分束、滤波、合束，实现两个分量的合束输出及在偏振上的相互正交；

③探测其中的一个光束分量的透射信号，通过反馈声光调制器的办法将其锁定在超稳光学腔上，实现超窄线宽激光输出；

④探测另一个光束分量的透射信号，获得两个信号的差分信号，并作为误差信号反馈电光调制器的频率源；

⑤锁定后的微波振荡器的输出信号就是基于超稳光学腔的超低噪声光生微波。

所述的步骤①和②中，两个光束分量的分束与合束是通过分别使用两个偏振分光棱镜来实现的，其中一束光束分量由电光调制器调制而引入了多级边带，并且在该光束分量路径中加入滤波器，来保证两光束分量在合束前在偏振上是相互正交的。

在通过超稳腔进行纵模锁定之后，输出的光束经过一偏振分光棱镜进行分束，分束后的光束各经过一光电探测器将光信号转化为电信号。在光信号转化为电信号之后，在其中一路中加入分束器，分束后的信号的其中一束作为声光调制器的反馈信号，另一束与另一路电信号进行差分，来扣除功率起伏的影响。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)相较于与之前的利用飞秒光梳实现纵模锁定的方法，将调制频率直接锁定在超稳腔的腔长上，没有了光频梳的参与，简化了系统，减小了系统的噪声影响。

2)脱离飞秒光梳，造价和复杂度大大降低，可靠性和鲁棒性大大增加；

3)消除了由于飞秒光梳失锁带来的技术故障，使得光生微波系统可以连续运行，这对微波振荡器尤其重要；

4)采用探测超稳腔对激光透射的调制信号的方法，在10GHZ的调制信号下，只需要探测近直流的低频信号就可以实现锁定，降低了技术难度。

附图说明

图1为基于超稳腔直接光生微波的装置的结构框图。

图2为在超稳腔中进行纵模间隔锁定的示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例是在以本发明光生微波方法的基础上进行实施，给出详细的实施方式和具体的操作过程，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例

请先参阅图1，图1是本发明基于超稳腔直接光生微波的装置结构框图。由图1可见，本发明直接光生微波系统装置包括窄脉冲激光1、声光调制器2、第一偏振分光棱镜3、二分之一波片4、第一反射镜5、电光调制器6、第二反射镜7、滤波器8、第二偏振分光棱镜9、超稳腔10、第三偏振分光棱镜11、第一光电探测器12、第二光电探测器13、差分器14、调制器15，其位置关系为：经过声光调制器2调制后的入射光经第一偏振分光棱镜3后分束，形成反射光束与透射光束，在所述的反射光束的前进方向上，依次是二分之一波片4、第一反射镜5、电光调制器6、第二反射镜7、滤波器8、第二偏振分光棱镜9，在透射光束的前进方向上，是第二偏振分光棱镜9，透射光束与反射光束通过第二偏振分光棱镜9后合束，在合束后的光束的前进方向上，依次是超稳腔10、第三偏振分光棱镜11,光束经过偏振分光棱镜3后再次分束为反射光束与透射光束，在反射光束的前进方向上，为第一光电探测器12，在透射光束的前进方向上，为第二光电探测器13，从第二光电探测器13发出的信号分为两路，一路作为反馈返回到声光调制器2，另一路与第一光电探测器12发出的信号经差分器14，做差分后的信号作为反馈信号经调制器15返回电光调制器6并输出。

本发明主要过程为：激光输入，过声光调制器进行调制后，进行分束，反射方向的光束通过一个电光调制器进行调制，以引入一个多级边带，目的就是为了让该边带也通过超稳腔，从而实现纵模锁定。而透射方向的光束直接输出与作用后的反射光束进行合束。合束后的光束过超稳腔锁模后，再次进行分束，过电光调制器后转化为电信号。透射方向上的电信号经过一个分束器，一部分信号对声光调制器进行反馈。另一部分信号与反射方向上的信号进行差分，得到误差信号，差分后的误差信号对电光调制器进行反馈。当装置搭建满足上述技术方案时，所述的差分进行下列过程：

入射光产生的线偏振光经过第一偏振分光棱镜3，分解为s方向、p方向两种偏振方向的线偏振光。这两束偏振光经第一偏振分光棱镜3后发生分束。s分量的光束被第一偏振分光棱镜3反射，经过二分之一波片4、第一反射镜5、电光调制器6、第二反射镜7、滤波器8，p分量光束被第一偏振分光棱镜3透射，经过第二偏振分光棱镜9，两束激光返回经过第二偏振分光棱镜9后合束，过第二偏振分光棱镜9的光束，经过超稳腔10、第三偏振分光棱镜11,光束经过第三偏振分光棱镜11后分解为s方向、p方向两种偏振方向的线偏振光。s分量的光束被第三偏振分光棱镜11反射，经过第一光电探测器12，p分量光束被第三偏振分光棱镜11透射，经过第二光电探测器13，从第二光电探测器13发出的光束分为两路，一路作为反馈返回到声光调制器2，另一路与第一光电探测器12发出的光束做差分，差分后的光束经调制器返回电光调制器6并输出。

整个路径的信号锁定过程为：假设输入信号E₀e^iωt，偏振分光棱镜3的反射信号在经过电光调制器6之后，信号变为E₀e^{i(ωt+a sinΩt})，而透射信号任为E₀e^iωt。这两个信号过偏振分光棱镜9合束后过超稳腔，之后两信号进行差分。

我们先利用贝塞尔函数将透射信号进行化简：

E₀e^{i(ωt+a sin(Ωt)})＝E₀e^iωt[J₀(a)+2iJ₁(a)a sin(Ωt)]

然后将两个信号进行差分：

E₀e^iωt[J₀(a)+2iJ₁(a)a sin(Ωt)]-E₀e^iωt

＝E₀e^iωt(1-J₀(a)-2iJ₁(a)a sin(Ωt))

＝E₀(cos(ωt)+i sin(ωt))(1-J₀(a)-2iJ₁(a)a sin(Ωt))

＝E₀(cos(ωt)+i sin(ωt))(1-J₀(a))

-E₀2iJ₁(a)a(cos(ωt)+i sin(ωt))sin(Ωt)

其中a为常数，Ω为相位调制频率，J_i(a)为贝塞尔函数(i＝0，1)。

如上式的结果，我们利用上式第二部分来得到误差信号，我们知道：

当ω＝Ω时，cos[(ω-Ω)t]部分就成为直流信号，我们可以容易的将其滤掉，从而得到误差信号。

参阅图2，为在超稳腔内进行锁模锁定的具体过程。如上述的分析，设在透射光方向上的光束频率为f₀，在反射方向的光束引入调制频率f_m＝nf_SR/m，其中m、n为常数，f_SR为重复频率。光束频率变成f_M＝f₀+nf_SR。透射和反射光束又在第二偏振分光棱镜9合束输入超稳腔。我们通过控制调制器输入的调制信号，来完成纵模间隔的锁定。

超稳激光将波长的变化锁定在腔长的变化上，而在理想情况下，腔长与其共振频率变化量的关系为：

其中ΔL表示腔长的变化量，L表示腔长，Δf表示共振频率变化量，f表示共振频率。

表示光学长度稳定度。

若要实现f₀和f_M的同时锁定，还需要满足以下条件：

通过超稳腔之后进行信号差分，从而获得误差信号，差分获得的误差信号为Δ(nf_r)，来对电光调制器进行反馈。

综上所述，本发明基于超稳腔直接光生微波系统的方法，通过利用电光调制的方法产生多级边带，将不同调制频率的激光耦合输入超稳腔，从而实现将调制频率锁定在超稳腔的腔长上，得到超低噪声微波信号。该发明简化了系统，降低了造价，增强了可靠性，具有很高的实用价值。

Claims (3)

1.一种基于超稳腔直接光生微波的装置，其特征在于，包括窄脉冲激光(1)、声光调制器(2)、第一偏振分光棱镜(3)、二分之一波片(4)、第一反射镜(5)、电光调制器(6)、第二反射镜(7)、滤波器(8)、第二偏振分光棱镜(9)、超稳腔(10)、第三偏振分光棱镜(11)、第一光电探测器(12)、第二光电探测器(13)、差分器(14)和调制器(15)；

所述的窄脉冲激光(1)经声光调制器(2)调制后经第一偏振分光棱镜(3)分束为第一反射光束与第一透射光束，所述的第一反射光束依次经二分之一波片(4)、第一反射镜(5)、电光调制器(6)、第二反射镜(7)和滤波器(8)，入射到所述的第二偏振分光棱镜(9)，所述的第二透射光束入射到所述的第二偏振分光棱镜(9)，通过第二偏振分光棱镜(9)合束后，经所述的超稳腔(10)，入射至第三偏振分光棱镜(11)，经该第三偏振分光棱镜(3)分束为第二反射光束与第二透射光束，所述的第一反射光束由第一光电探测器(12)接收转换为第一电信号，所述的第二透射光束由第二光电探测器(13)接收转换为第二电信号并分为两路，一路作为反馈返回到所述的声光调制器(2)，另一路与第一电信号通过差分器(14)做差分，得到的差分信号作为反馈信号经调制器(15)返回电光调制器(6)并输出。

2.一种基于超稳腔直接光生微波的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

①对窄线宽激光器通过电光调制的办法进行10GHz的低噪声高频、高调制深度的调制，产生多级边带；

②将窄线宽激光器的候选两个光束分量通过偏振的办法进行分束、滤波、合束，实现两个分量的合束输出及在偏振上的相互正交；

③探测其中的一个光束分量的透射信号，通过反馈声光调制器的办法将其锁定在超稳光学腔上，实现超窄线宽激光输出；

④探测另一个光束分量的透射信号，获得两个信号的差分信号，并作为误差信号反馈电光调制器的频率源；

⑤锁定后的微波振荡器的输出信号就是基于超稳光学腔的超低噪声光生微波。

3.根据权利要求2所述的基于超稳腔直接光生微波的方法，其特征在于，所述的步骤①和②中，两个光束分量的分束与合束是通过分别使用两个偏振分光棱镜来实现的，其中一束光束分量由电光调制器调制而引入了多级边带，并且在该光束分量路径中加入滤波器，来保证两光束分量在合束前在偏振上是相互正交的。

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