CN112769023A - 微波信号生成装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种微波信号生成装置及方法。该生成装置包括:光学环路、光电探测器；光电探测器与光学环路光路连接；光学环路包括：预处理光路，超稳定光学谐振腔，后处理光路；预处理光路，用于产生原始光，并对原始光进行预处理，以得到耦合输入光；超稳定光学谐振腔，用于根据耦合输入光产生具有周期性梳状光谱的第一耦合输出光；后处理光路，用于对第一耦合输出光进行后处理，以得到注入锁定后的激光；光电探测器，用于对注入锁定后的激光进行差拍以获得微波信号。本发明的生成装置和方法，通过采用将超稳定光学谐振腔置于半导体激光器自注入锁定环路中并对其进行参数设置使得生成的微波信号频率稳定性高、线宽窄、频率值高。

Description

微波信号生成装置及方法

技术领域

本发明实施例涉及光生微波技术领域，尤其涉及一种微波信号生成装置及方法。

背景技术

光生微波技术是一种在光信号中携带微波信号，实现在光传输介质中传输射频信号的光学技术。光生微波技术的基本内容是：利用两个单色性很好，相位差恒定且相互之间具有一定频率差的光波模相干叠加，则产生的光拍是频率稳定度很高的微波信号源。

现有的光生微波技术包括多种方法，例如：光学自注入锁定法。该方法首先将一个单纵模激光器输出的原始光分成两束光束，并将两束光束分别耦合进入两个具有不同长度的光纤腔中形成振荡，以得到两个输出光波；其次将两个输出光波分别沿原始光的反方向注入到激光器中，得到双模激光输出；最后将得到的双光波模式拍频产生微波信号。

然而，现有的光学自注入锁定法，由于采用了两个光纤腔，其差异性使得该方法受外界环境扰动而产生的噪声不同，且光纤腔具有较差的热稳定性，从而致使在进行注入锁定操作后得到的微波信号的频率稳定性不高。此外，尽管该方法仅利用了一个激光源，没有外部微波参考源、电滤波和电放大器，但该方法所使用的光纤腔自由光谱范围小(MHz量级)、Q值较低(10⁵-10⁶)，从而导致所产生的微波信号的频率值低、线宽较宽。

发明内容

本发明实施例提供一种微波信号生成装置及方法，用以解决现有技术中生成的微波信号频率稳定性不够高、频率值低、线宽较宽的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供一种微波信号生成装置，包括：

光学环路、光电探测器；所述光电探测器与所述光学环路光路连接；

所述光学环路包括：预处理光路，超稳定光学谐振腔，后处理光路；

所述预处理光路，用于产生原始光，并对所述原始光进行预处理，以得到耦合输入光；

所述超稳定光学谐振腔，用于根据所述耦合输入光产生具有周期性梳状光谱的第一耦合输出光；

所述后处理光路，用于对第一耦合输出光进行后处理，以得到注入锁定后的激光；

所述光电探测器，用于对所述注入锁定后的激光进行差拍以获得微波信号。

进一步地，如上所述的微波信号生成装置，所述超稳定光学谐振腔包括：前腔镜，后腔镜及腔体；

所述腔体沿光束耦合方向先后分别设置有前腔镜和后腔镜；所述前腔镜为平面镜；所述后腔镜为凹面镜；

所述平面镜的后平面和所述凹面镜的前凹面均镀有超高反射率介质膜；所述超高反射率介质膜对应的中心波长为所述原始光的中心波长；

所述耦合输入光从所述平面镜的后平面渡越到所述凹面镜的前凹面时，得到腔内渡越光波；

所述凹面镜的曲率半径与所述腔内渡越光波的波前等相面的曲率半径相同；

所述超稳定光学谐振腔的自由光谱范围为所述微波信号的频率基值和频率周期。

进一步地，如上所述的微波信号生成装置，所述前腔镜和所述后腔镜真空胶粘在所述腔体沿光束耦合方向的两侧。

进一步地，如上所述的微波信号生成装置，所述预处理光路包括依次光路连接的半导体激光二极管、准直整形器、第一偏振旋转器、注入器、第一光隔离器、偏振可变分束器、光延时线、准直耦合器；

所述半导体激光二极管，用于输出所述原始光；

所述准直整形器，用于对所述原始光进行准直和光斑整形，以得到第一激光；

所述第一偏振旋转器，用于旋转所述第一激光的偏振方向，使其与所述注入器的透光轴方向一致，以得到旋转后的第一激光；

所述注入器，用于将所述旋转后的第一激光正向通过以得到第一透射光；

所述第一光隔离器，用于将所述第一透射光沿所述第一光隔离器的透光轴方向输出，以得到第二透射光；同时，用于将沿所述第一光隔离器的通光方向反方向传输的反射光或散射光不通过，所述反射光或散射光可为所述第二透射光；

所述偏振可变分束器，用于将所述第二透射光分成分光比连续可调的第一偏振光和第二偏振光；

所述光延时线，用于改变所述第一偏振光通过所述光延时线的光程从而改变所述第一偏振光通过所述光学环路的光程，使得所述光学环路的光程为所述超稳定光学谐振腔腔长的整数倍；

所述准直耦合器，用于对通过所述光延时线的所述第一偏振光进行聚焦，准直和调节光束角度，以得到所述耦合输入光。

进一步地，如上所述的微波信号生成装置，所述后处理光路包括依次光路连接的第二光隔离器、准直调节器、第二偏振旋转器、所述注入器、所述第一偏振旋转器、所述准直整形器及所述半导体激光二极管；

所述第二光隔离器，用于将所述第一耦合输出光沿所述第二光隔离器的透光轴方向输出，以得到第三透射光；同时将沿所述第二光隔离器的通光方向反方向传输的光不通过；

所述准直调节器，用于对所述第三透射光进行扩束、准直和调节光束角度，以得到第二耦合输出光；

所述第二偏振旋转器，用于旋转所述第二耦合输出光的偏振方向，使其与所述注入器的透光轴方向一致，以得到第一偏振旋转输出光；

所述注入器，还用于将所述第一偏振旋转输出光反向通过，以得到第四透射光，所述第四透射光的光轴方向与所述第一激光的光轴方向重合；

所述第一偏振旋转器，还用于旋转所述第四透射光的偏振方向，以得到第二偏振旋转输出光；

所述准直整形器，还用于对所述第二偏振旋转输出光进行光斑整形和聚焦，以得到整形聚焦输出光；所述整形聚焦输出光的空间模式与所述半导体激光二极管输出的所述原始光的空间模式匹配；

所述半导体激光二极管，还用于在接收所述整形聚焦输出光时进行自注入锁定以产生所述注入锁定后的激光。

进一步地，如上所述的微波信号生成装置，所述半导体激光二极管为法布里-珀罗(FP)半导体激光二极管、分布反馈式(DFB)激光二极管或垂直腔面发射(VCSEL)激光二极管中的任意一种。

进一步地，如上所述的微波信号生成装置，所述注入器为空间光隔离器、保偏光纤环形器或偏振分光棱镜中的任意一种。

进一步地，如上所述的微波信号生成装置，所述第一光隔离器和所述第二光隔离器为空间光隔离器或保偏光纤隔离器。

第二方面，本发明实施例提供一种微波信号生成方法，包括：

预处理光路产生原始光，并对所述原始光进行预处理，以得到耦合输入光；

超稳定光学谐振腔根据所述耦合输入光产生具有周期性梳状光谱的第一耦合输出光；

后处理光路对所述第一耦合输出光进行后处理，以得到注入锁定后的激光；

光电探测器对所述注入锁定后的激光进行差拍以获得微波信号。

进一步地，如上所述的微波信号生成方法，所述超稳定光学谐振腔包括：前腔镜，后腔镜及腔体；所述前腔镜为平面镜；所述后腔镜为凹面镜；

所述耦合输入光从所述平面镜的后平面渡越到所述凹面镜的前凹面时，得到腔内渡越光波；

所述超稳定光学谐振腔根据所述耦合输入光产生具有周期性梳状光谱的第一耦合输出光之前，还包括：

设置所述超稳定光学谐振腔的自由光谱范围为所述微波信号的频率基值和频率周期；

设置所述凹面镜的曲率半径为所述腔内渡越光波的波前等相面的曲率半径；

在所述平面镜的后平面和所述凹面镜的前凹面均镀有超高反射率介质膜。

本发明实施例提供的微波信号生成装置及方法，包括:光学环路、光电探测器；所述光电探测器与所述光学环路光路连接；所述光学环路包括：预处理光路，超稳定光学谐振腔，后处理光路；所述预处理光路，用于产生原始光，并对所述原始光进行预处理，以得到耦合输入光；所述超稳定光学谐振腔，用于根据所述耦合输入光产生具有周期性梳状光谱的第一耦合输出光；所述后处理光路，用于对第一耦合输出光进行后处理，以得到注入锁定后的激光；所述光电探测器，用于对所述注入锁定后的激光进行差拍以获得微波信号。本发明实施例采用一个超稳定光学谐振腔对耦合输入光进行处理，生成的微波信号频率稳定性由该超稳定光学谐振腔的自由光谱范围稳定性决定，而超稳定光学谐振腔理论上自由光谱范围短期稳定度可达10^-14量级，因此生成的微波信号稳定性高；同时，由于超稳定光学谐振腔产生的周期性梳状光谱的光纵模的线宽窄，因此生成的微波信号的线宽窄。此外，由于超稳定光学谐振腔腔长短，其对应的自由光谱范围较大，因此其产生的微波信号频率值高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的微波信号生成装置的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的微波信号生成装置的结构示意图；

图3为本发明实施例三提供的微波信号生成装置的结构示意图；

图4为本发明实施例四提供的微波信号生成方法的流程示意图；

图5为本发明实施例五提供的微波信号生成方法的流程示意图。

附图标记说明：

101-半导体激光二极管 102-准直整形器 103-第一偏振旋转器

104-注入器 105-第一光隔离器 106-偏振可变分束器

107-光电探测器 108-光延时线 109-准直耦合器

110-超稳定光学谐振腔 111-第二光隔离器 112-准直调节器

113-第二偏振旋转器 114-控制器 10-光学环路

11-预处理光路 12-后处理光路

201-半导体激光二极管 202-第一准直整形器 203-第一偏振旋转器

204-第一注入器 205-第一光隔离器 206-偏振可变分束器

207-光电探测器 208-光延时线 209-准直耦合器

210-超稳定光学谐振腔 211-第二光隔离器 212-准直调节器

213-第二偏振旋转器 214-控制器 215-第二注入器

216-第三偏振旋转器 217-第二准直整形器 20-光学环路

21-预处理光路 22-后处理光路

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例一提供的微波信号生成装置的结构示意图，如图1所示，该微波信号生成装置包括：光学环路10，光电探测器107，光电探测器107与光学环路10光路连接。

可选地，光学环路包括：预处理光路11，超稳定光学谐振腔110，后处理光路12。

具体地，本实施例中，光学环路10包括：预处理光路11、后处理光路12和超稳定光学谐振腔110。预处理光路11与超稳定光学谐振腔110光路连接，超稳定光学谐振腔110与后处理光路12光路连接，后处理光路12与预处理光路11光路连接，光电探测器107与预处理光路11光路连接。

可选地，预处理光路11，用于产生原始光，并对原始光进行预处理，以得到耦合输入光。

具体地，本实施例中，预处理光路11利用激光器产生原始光，对原始光进行准直和整形以得到第一激光，然后对第一激光进行偏振提纯和处理，将处理后的第一激光分为两束分光比可调的偏振光，对其中的一束偏振光进行光程调节，再对调节后的偏振光进行聚焦、准直和光束角度调节，可得到耦合输入光。

可选地，超稳定光学谐振腔110，用于根据耦合输入光产生具有周期性梳状光谱的第一耦合输出光。

具体地，本实施例中，超稳定光学谐振腔110通过设置该谐振腔的相关参数对耦合输入光形成基模振荡以输出具有周期性梳状光谱的第一耦合输出光。上述参数可以是：谐振腔的自由光谱范围、谐振腔的Q值以及谐振腔的腔镜的曲率半径，还可以是外界环境隔离度等。

其中，谐振腔的Q值是表征其输出第一耦合输出光的纵模的线宽的参数，Q值越高，光的纵模的线宽越窄；外界环境隔离度是表征所述超稳定光学谐振腔110的自由光谱范围稳定度的参数，外界环境隔离度越高，自由光谱范围的稳定度越好。

可选地，后处理光路12，用于对第一耦合输出光进行后处理，以得到注入锁定后的激光。

具体地，本实施例中，后处理光路12对第一耦合输出光进行准直、调节得到第二耦合输出光，并对第二耦合输出光进行诸如偏振旋转、光斑整形和聚焦等处理后，使得光学环路10实现了自注入锁定，可以产生锁定后的激光。

可选地，光电探测器107，用于对注入锁定后的激光进行差拍以获得微波信号。

具体地，在本实施例中，光电探测器107探测光学环路10上激光的光谱，在光学环路10未实现自注入锁定前，光电探测器107探测的激光光谱为原始光的光谱；在光学环路10实现自注入锁定后，光电探测器107探测的激光光谱为注入锁定后的激光光谱，对其进行差拍处理可以得到微波信号。上述差拍处理是对注入锁定后的激光光谱的光纵模进行拍频。

本实施例中，预处理光路11和后处理光路12中可以共用一部分光学器件，与超稳定光学谐振腔110一起形成光学环路10；也可以对共用部分的光学器件进行备份，使得预处理光路11和后处理光路12不需要共用某些器件，从而与超稳定光学谐振腔110一起实现各光学器件之间首尾依次连接，构成一个光学环路10。

本发明实施例提供的微波信号生成装置，包括:光学环路、光电探测器；光电探测器与光学环路光路连接；光学环路包括：预处理光路，超稳定光学谐振腔，后处理光路；预处理光路，用于产生原始光，并对原始光进行预处理，以得到耦合输入光；超稳定光学谐振腔，用于根据耦合输入光产生具有周期性梳状光谱的第一耦合输出光；后处理光路，用于对第一耦合输出光进行后处理，以得到注入锁定后的激光；光电探测器，用于对注入锁定后的激光进行差拍以获得微波信号。本发明实施例采用一个超稳定光学谐振腔对耦合输入光进行处理，生成的微波信号频率稳定性由该超稳定光学谐振腔的自由光谱范围稳定性决定，而超稳定光学谐振腔理论上自由光谱范围短期稳定度可达10^-14量级，因此生成的微波信号稳定性高；同时，由于超稳定光学谐振腔产生的周期性梳状光谱的光纵模的线宽窄，因此生成的微波信号的线宽窄。此外，由于超稳定光学谐振腔腔长短，其对应的自由光谱范围较大，因此其产生的微波信号频率值高。

图2为本发明实施例二提供的微波信号生成装置的结构示意图，本实施例是在实施例一的基础上，对其进行细化，与实施例一相同部分的内容，此处不再赘述。如图2所示，本实施例中的微波信号生成装置还包括：控制器114。

可选地，超稳定光学谐振腔包括：前腔镜，后腔镜及腔体；腔体沿光束耦合方向先后分别设置有前腔镜和后腔镜；前腔镜为平面镜；后腔镜为凹面镜。

可选地，前腔镜和后腔镜真空胶粘在腔体沿光束耦合方向的两侧。

具体地，本实施例中，超稳定光学谐振腔110为超稳法布里-珀罗腔(简称超稳腔)。该超稳定光学谐振腔110由两个具有超低膨胀特性的腔镜，及一个超低膨胀材料加工而成的腔长为L的腔体构成，该腔镜沿光束耦合方向分为前腔镜和后腔镜。上述前腔镜为平面镜，后腔镜为凹面镜，且两个腔镜真空胶粘在腔体沿光束耦合方向的两侧，构成具有稳定腔型结构的一维光学谐振腔。

可选地，平面镜的后平面和凹面镜的前凹面均镀有超高反射率介质膜；超高反射率介质膜对应的中心波长为原始光的中心波长。

具体地，本实施例中，超稳定光学谐振腔110的平面镜的后平面和凹面镜的前凹面均镀有超高反射率介质膜，该超高反射率介质膜与超稳定光学谐振腔110的Q值有关，即介质膜的反射率越高，Q值越大。可选地，介质膜的反射率为0.999989。超高反射率介质膜对应的中心波长为半导体激光二极管输出激光的中心波长。

可选地，耦合输入光从平面镜的后平面渡越到凹面镜的前凹面时，得到腔内渡越光波。

可选地，凹面镜的曲率半径与腔内渡越光波的波前等相面的曲率半径相同。

具体地，本实施例中，耦合输入光的腰斑位于超稳定光学谐振腔110的前腔镜的后表面；耦合输入光的腰斑大小与超稳定光学谐振腔110的基模光斑大小匹配；耦合输入光透过平面镜后在超稳定光学谐振腔110内渡越到凹面镜的前表面时，通过设置耦合输入光的波前等相面曲率半径与后腔镜的曲率半径相同，可以实现耦合输入光与超稳定光学谐振腔110的基模匹配，使得耦合输入光在超稳定光学谐振腔110内形成基模振荡后，输出具有周期性梳状光谱的耦合输出光。

可选地，超稳定光学谐振腔110的自由光谱范围为微波信号的频率基值和频率周期。

具体地，本实施例中，耦合输出光的周期性梳状光谱的各梳齿具有极窄的线宽，梳齿之间相位锁定，频率间隔固定且等于超稳定光学谐振腔110的自由光谱范围；同时该频率间隔也等于需要生成的微波信号的频率基值和频率周期，其中，频率基值是指耦合输出光的周期性梳状谱第一谱线的频率值。微波信号的频率值为超稳定光学谐振腔的自由光谱范围的整数倍。

可选地，超稳定光学谐振腔可置于真空、控温、隔声、隔震等条件下，以隔离外界环境对所述超稳定光学谐振腔的自由光谱范围的影响。

具体地，本实施例中，将超稳定光学谐振腔放置于真空腔中，该真空腔由三层内表面均镀有金膜的金属铝屏蔽层及一真空离子泵构成。上述三层金属铝屏蔽层的对侧两壁沿超稳定光学谐振腔的轴线方向均设置有通光孔，且最外层对侧壁的两孔用镀高透膜窗片真空密封；真空离子泵与最外层连通，使得真空腔内保持10^-7mbar(毫巴)的真空度；同时，最外层的内底面通过设置加热制冷片对整个真空腔进行控温，最终使得超稳定光学谐振腔处于真空、控温、隔声、隔震的环境中。

可选地，预处理光路11包括依次光路连接的半导体激光二极管101、准直整形器102、第一偏振旋转器103、注入器104、第一光隔离器105、偏振可变分束器106、光延时线108、准直耦合器109。

可选地，后处理光路12包括依次光路连接的第二光隔离器111、准直调节器112、第二偏振旋转器113、注入器104、第一偏振旋转器103、准直整形器102及半导体激光二极管101。

具体地，本实施例中，控制器114与半导体激光二极管101光路连接，半导体激光二极管101、准直整形器102、第一偏振旋转器103、注入器104、第一光隔离器105、偏振可变分束器106、光延时线108、准直耦合器109、超稳定光学谐振腔110、第二光隔离器111、准直调节器112、第二偏振旋转器113、注入器104、第一偏振旋转器103、准直整形器102和半导体激光二极管101依次光路连接，形成一个光学环路10。其中，注入器104、第一偏振旋转器103、准直整形器102和半导体激光二极管101属于预处理光路11和后处理光路12中共用器件。

可选地，半导体激光二极管101，用于输出原始光。

具体地，本实施例中，半导体激光二极管101属于一种激光器，在其未实现自注入锁定前，控制器114通过对其温度和驱动电流进行控制以使其产生线偏振、较宽光谱的原始光。半导体激光二极管101输出的原始光的中心波长可为780nm、852nm或1550nm附近中的一种；该原始光的光谱谱宽至少为超稳定光学谐振腔110的自由光谱范围的2倍；该半导体激光二极管101的发光面镀有较低反射率膜。该原始光需要通过光学环路10中其他器件的后续处理，以得到用于产生需要的微波信号的锁定后的激光。

可选地，半导体激光二极管101为法布里-珀罗(FP)半导体激光二极管、分布反馈式(DFB)激光二极管或垂直腔面发射(VCSEL)激光二极管中的任意一种。

具体地，本实施例中，半导体激光二极管101的可选种类较多，例如：法布里-珀罗(FP)半导体激光二极管、分布反馈式(DFB)激光二极管、垂直腔面发射(VCSEL)激光二极管，此处不做具体限定，只要满足其能够输出稳定光谱的原始光即可。

可选地，准直整形器102，用于对原始光进行准直和光斑整形，以得到第一激光。

具体地，本实施例中，原始光经过准直和光斑整形后，得到第一激光，该第一激光的光斑形状近为圆形，且为平行激光束。对于分布反馈式(DFB)激光二极管，该准直整形器102为非球面透镜；对FP半导体激光二极管或垂直腔面发射(VCSEL)激光二极管，该准直整形器102为非球面透镜和整形棱镜的组合。

可选地，第一偏振旋转器103，用于旋转第一激光的偏振方向，使其与注入器的透光轴方向一致，以得到旋转后的第一激光。

具体地，本实施例中，第一偏振旋转器103对第一激光的偏振方向进行旋转，使第一激光的偏振方向与注入器的透光轴方向一致，第一偏振旋转器可为λ/2波片，其中λ为第一激光的波长。

可选地，注入器104，用于将旋转后的第一激光正向通过以得到第一透射光。

可选地，注入器104为空间光隔离器、保偏光纤环形器或偏振分光棱镜中的任意一种。

具体地，本实施例中，注入器104能够使正向透过第一偏振旋转器103的光正向通过得到第一透射光。注入器104可以是间光隔离器、保偏光纤环形器或偏振分光棱镜，此处不做具体限定。

可选地，第一光隔离器105，用于将第一透射光沿第一光隔离器的透光轴方向输出，以得到第二透射光；同时，用于将沿第一光隔离器的通光方向反方向传输的反射光或散射光不通过，反射光或散射光可为第二透射光。

具体地，本实施例中，第一透射光进入第一光隔离器105，旋转该第一光隔离器105的透光轴方向，使得透射光的效率最高，此时输出第二透射光。第一光隔离器105使沿其通光方向正向传输的光通过，反向传输的光不通过。

可选地，偏振可变分束器106，用于将第二透射光分成分光比连续可调的第一偏振光和第二偏振光。

具体地，本实施例中，偏振可变分束器106将透过第一光隔离器105得到的第二透射光分成第一偏振光和第二偏振光，且两者的分光比连续可调。该偏振可变分束器106可为空间光可变分束器或保偏光纤可变分束器。

可选地，光延时线108，用于改变第一偏振光通过光延时线的光程从而改变第一偏振光通过光学环路的光程，使得光学环路的光程为超稳定光学谐振腔腔长的整数倍。

具体地，本实施例中，光延时线108可以改变光学环路10的光程，使得光学环路的光程为超稳定光学谐振腔110腔长的整数倍。该光延时线108为具有保偏特性的光纤延时线或空间光延时线。

可选地，准直耦合器109，用于对通过光延时线的第一偏振光进行聚焦，准直和调节光束角度，以得到耦合输入光。

具体地，本实施例中，准直耦合器109对第一偏振光进行聚焦、准直和光束角度调节以得到耦合输入光。该耦合输入光为光斑大小与超稳定光学谐振腔110的基模光斑大小基本一致的平行光；该耦合输入光的光轴与超稳定光学谐振腔110的中心轴线重合，且该耦合输入光的腰斑位于超稳定光学谐振腔110的前腔镜的后表面上。

可选地，第二光隔离器111，用于将第一耦合输出光沿第二光隔离器的透光轴方向输出，以得到第三透射光；同时将沿第二光隔离器的通光方向反方向传输的光不通过。

具体地，本实施例中，第一耦合输出光通过第二隔离器111时，旋转第二隔离器111的透光轴方向使其与第一耦合输出光的偏振方向一致，从而得到第三透射光。第二光隔离器111使沿其通光方向正向传输的光通过，反向传输的光不通过。

可选地，第一光隔离器和第二光隔离器为空间光隔离器或保偏光纤隔离器。

具体地，本实施例中，第一光隔离器105和第二光隔离器111可以为空间光隔离器或保偏光纤隔离器，此处不做具体限定，只要能满足使沿其通光方向正向传输的光通过，反向传输的光不通过即可。

可选地，准直调节器112，用于对第三透射光进行扩束、准直和调节光束角度，以得到第二耦合输出光。

具体地，本实施例中，准直调节器112对第三透射光进行扩束、准直以及调节光束的角度，得到第二耦合输出光。该第二耦合输出光为平行光，且其光斑大小与第一激光的光斑大小匹配；且经过注入器104后，该第二耦合输出光的光轴方向与第一激光的光轴方向重合。

可选地，第二偏振旋转器113，用于旋转第二耦合输出光的偏振方向，使其与注入器104的透光轴方向一致，以得到第一偏振旋转输出光。

具体地，本实施例中，第二偏振旋转器113，对第二耦合输出光的偏振方向进行旋转，使其与注入器104的透光轴方向一致，进一步地，对第二耦合输出光的偏振方向旋转还可以使第二耦合输出光进入到半导体激光二极管101后的偏振方向与原始光的主偏振方向平行。第二偏振旋转器可为λ/2波片，其中λ为第二耦合输出光的波长。

可选地，注入器104，还用于将第一偏振旋转输出光反向通过，以得到第四透射光，第四透射光的光轴方向与第一激光的光轴方向重合。

具体地，本实施例中，注入器104将正向通过第二偏振旋转器113后得到的第一偏振旋转输出光反向通过得到第四透射光，其光轴方向与第一激光的光轴方向重合，对其经过处理可以将其注入到半导体激光二极管101中。

可选地，第一偏振旋转器103，还用于旋转第四透射光的偏振方向，以得到第二偏振旋转输出光。

可选地，准直整形器102，还用于对第二偏振旋转输出光进行光斑整形和聚焦，以得到整形聚焦输出光；整形聚焦输出光的空间模式与半导体激光二极管输出的原始光的空间模式匹配。

具体地，本实施例中，第四透射光经过第一偏振旋转器103的旋转和准直整形器102的整形和聚焦处理后得到整形聚焦输出光，该整形聚焦输出光的光斑大小和形状与半导体激光二极管输出原始光的光斑大小和形状相当，即空间模式匹配。从光的横截面上看，上述两个光的椭圆形截面基本重合。

可选地，半导体激光二极管101，还用于在接收整形聚焦输出光时进行自注入锁定以产生注入锁定后的激光。

具体地，本实施例中，半导体激光二极管101在接收到整形聚焦输出光时实现自注入锁定，自注入锁定后的半导体激光二极管101输出的注入锁定后的激光通过光电探测器107进行接收并进行差拍，最终得到需要生成的微波信号。

本实施例提供的微波信号生成装置，包括:依次光路连接的半导体激光二极管、准直整形器、第一偏振旋转器、注入器、第一光隔离器、偏振可变分束器、光延时线、准直耦合器、超稳定光学谐振腔、第二光隔离器、准直调节器、第二偏振旋转器，其中注入器、第一偏振旋转器、准直整形器及半导体激光二极管属于预处理光路和后处理光路的共用器件。本实施例的光学环路采用超稳定光学谐振腔，通过设置其自由光谱范围为需要生成的微波信号的频率基值和频率周期、设置其凹面镜的曲率半径与腔内渡越光波的波前等相面的曲率半径相同、选择具有超高反射率的介质膜对其进行镀膜以及设置其置于真空、控温、隔声、隔震的环境中，使得超稳定光学谐振腔的频率稳定性高、Q值高(例如：Q值可以达到10¹⁰量级)，输出的第一耦合输出光的周期性梳状光谱的稳定性高、线宽窄，从而使得半导体激光二极管在接收到具有上述光谱特性的输出光进行自注入锁定后，能够产生注入锁定后的激光，光电探测器通过接收该激光并进行差拍可以获得需要生成的微波信号。由于该注入锁定后的激光光谱同样为稳定性高、线宽窄的周期性梳状光谱，所以经过差拍后生成的微波信号稳定性高、线宽窄。此外，由于超稳定光学谐振腔腔长短，其对应的自由光谱范围较大，因此其产生的微波信号频率值高。

图3为本发明实施例三提供的微波信号生成装置的结构示意图，如图3所示，本实施例与实施例二的区别在于，预处理光路21与后处理光路22无需共用部分光学器件，其他部分均相同，关于相同部分的内容此处不再赘述。

本实施例中，微波信号生成装置包括光学环路20、光电探测器207、控制器214。其中，光学环路20包括：预处理光路21、超稳定光学谐振腔210和后处理光路22。具体地，光学环路20包括首尾依次光路连接的半导体激光二极管201、第一准直整形器202、第一偏振旋转器203、第一注入器204、第一光隔离器205、偏振可变分束器206、光延时线208、准直耦合器209、超稳定光学谐振腔210、第二光隔离器211、准直调节器212、第二偏振旋转器213、第二注入器215、第三偏振旋转器216、第二准直整形器217。

上述第一注入器204、第二注入器215、第一偏振旋转器203、第三偏振旋转器216、第一准直整形器202、第二准直整形器217的结构和功能分别与实施例二中注入器104、第一偏振旋转器103、准直整形器102的结构和功能相同，只是预处理光路21和后处理光路22不再共用注入器、偏振旋转器和准直整形器，从而使得微波信号生成装置的实现方式更加多样化。需要说明的是，图3中后处理光路22虽然未显示包括半导体激光二极管201，但由于后处理光路22中的第二准直整形器217输出的整形聚焦输出光输入至半导体激光二极管201，实际上后处理光路22仍然使用了半导体激光二极管201。本实施例的技术效果与实施例二的技术效果相同，此处不再赘述。

图4为本发明实施例四提供的微波信号生成方法的流程示意图，如图4所示，本实施例提供的微波信号生成方法，包括以下步骤：

步骤101，预处理光路产生原始光，并对原始光进行预处理，以得到耦合输入光。

具体地，本实施例中，预处理光路利用激光器产生原始光，对原始光进行准直和整形以得到第一激光，然后对第一激光进行偏振提纯和处理，将处理后的第一激光分为两束分光比可调的偏振光，对其中的一束偏振光进行光程调节，再对调节后的偏振光进行聚焦、准直和光束角度调节，可得到耦合输入光。

步骤102，超稳定光学谐振腔根据耦合输入光产生具有周期性梳状光谱的第一耦合输出光。

具体地，本实施例中，通过对超稳定光学谐振腔的相关参数进行设置使得该谐振腔对步骤101中输出的耦合输入光形成基模振荡以输出具有周期性梳状光谱的第一耦合输出光。上述参数可以是：谐振腔的自由光谱范围、谐振腔的Q值以及谐振腔的腔镜的曲率半径，还可以是外界环境隔离度等。

步骤103，后处理光路对第一耦合输出光进行后处理，以得到注入锁定后的激光。

具体地，本实施例中，后处理光路对步骤103中输出的第一耦合输出光进行准直、调节得到第二耦合输出光，并对第二耦合输出光进行诸如旋转、光斑整形和聚焦等处理后，使得光学环路实现了自注入锁定，可以产生锁定后的激光。

步骤104，光电探测器对注入锁定后的激光进行差拍以获得微波信号。

具体地，本实施例中，在光学环路未实现自注入锁定前，光电探测器探测的激光光谱为原始光的光谱；在光学环路实现自注入锁定后，光电探测器探测的激光光谱为注入锁定后的激光光谱，对其进行差拍处理可以得到微波信号。上述差拍处理是指对注入锁定后的激光光谱的光纵模进行拍频。

本实施例提供的微波信号生成方法与图1所示的微波信号生成装置相对应，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

图5为本发明实施例五提供的微波信号生成方法的流程示意图，本实施例在微波信号生成方法实施例四的基础上，对其进行细化，本实施例与实施例四相同的步骤此处不再赘述。

进一步地，如图5所示，本实施例提供的微波信号生成方法包括以下步骤：

步骤200，半导体激光二极管输出原始光。

可选地，半导体激光二极管为法布里-珀罗(FP)半导体激光二极管、分布反馈式(DFB)激光二极管或垂直腔面发射(VCSEL)激光二极管中的任意一种。

步骤201，原始光经过准直整形器的准直和光斑整形，得到第一激光。

步骤202，第一激光经旋转后通过注入器和第一光隔离器，得到第二透射光。

具体地，本实施例中，第一激光经过第一偏振旋转器对其偏振方向进行旋转，使第一激光的偏振方向与注入器的透光轴方向一致。注入器使正向透过第一偏振旋转器的光正向通过并得到第一透射光。第一透射光进入第一光隔离器，旋转该第一光隔离器的透光轴方向，使得透射光的效率最高，此时得到第二透射光。

可选地，注入器为空间光隔离器、保偏光纤环形器或偏振分光棱镜中的任意一种。

步骤203，第二透射光经过偏振可变分束器分成分光比连续可调的第一偏振光和第二偏振光。

步骤204，第一偏振光经过光延时线后进入准直耦合器，再经过聚焦，准直和调节光束角度得到耦合输入光。

步骤205，耦合输入光进入超稳定光学谐振腔形成基模振荡后输出具有周期性梳状光谱的第一耦合输出光。

可选地，超稳定光学谐振腔包括：前腔镜，后腔镜及腔体；前腔镜为平面镜；后腔镜为凹面镜；耦合输入光从平面镜的后平面渡越到凹面镜的前凹面时，得到腔内渡越光波；步骤205在超稳定光学谐振腔根据耦合输入光产生具有周期性梳状光谱的第一耦合输出光之前，还包括以下步骤：

步骤2051，设置超稳定光学谐振腔的自由光谱范围为微波信号的频率基值和频率周期。

步骤2052，设置凹面镜的曲率半径为腔内渡越光波的波前等相面的曲率半径。

步骤2053，在平面镜的后平面和凹面镜的前凹面均镀有超高反射率介质膜。

步骤2054，设置超稳定光学谐振腔于真空、控温、隔声、隔震等条件下，以隔离外界环境对所述超稳定光学谐振腔的自由光谱范围的影响。

可选地，前腔镜和后腔镜真空胶粘在腔体沿光束耦合方向的两侧。

步骤206，第一耦合输出光通过第二光隔离器后经过扩束、准直和光束调节得到第二耦合输出光。

具体地，本实施例中，第一耦合输出光通过第二隔离器时，旋转第二隔离器的透光轴方向使其与第一耦合输出光的偏振方向一致，从而得到第三透射光。准直调节器对第三透射光进行扩束、准直以及调节光束的角度，得到第二耦合输出光。

可选地，第一光隔离器和第二光隔离器为空间光隔离器或保偏光纤隔离器。

步骤207，旋转第二耦合输出光的偏振方向，使其依次通过注入器、第一偏振旋转器后得到第二偏振旋转输出光。

具体地，本实施例中，第二偏振旋转器对第二耦合输出光的偏振方向进行旋转，使其与注入器的透光轴方向一致，以得到第一偏振旋转输出光。注入器将正向通过第二偏振旋转器后得到的第一偏振旋转输出光反向通过得到第四透射光。第四透射光经过第一偏振旋转器的旋转得到第二偏振旋转输出光。

步骤208，第二偏振旋转输出光经过准直整形器的整形聚焦后注入到半导体激光二极管中以实现半导体激光二极管的自注入锁定。

步骤209，半导体激光二极管自注入锁定后，光电探测器接收半导体激光二极管产生的注入锁定后的激光并进行差拍处理得到微波信号。

本实施例提供的微波信号生成方法与图2所示的微波信号生成装置相对应，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种微波信号生成装置，其特征在于，包括：光学环路、光电探测器；所述光电探测器与所述光学环路光路连接；

所述光学环路包括：预处理光路，超稳定光学谐振腔，后处理光路；

所述预处理光路，用于产生原始光，并对所述原始光进行预处理，以得到耦合输入光；

所述超稳定光学谐振腔，用于根据所述耦合输入光产生具有周期性梳状光谱的第一耦合输出光；

所述后处理光路，用于对第一耦合输出光进行后处理，以得到注入锁定后的激光；

所述光电探测器，用于对所述注入锁定后的激光进行差拍以获得微波信号。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超稳定光学谐振腔包括：前腔镜，后腔镜及腔体；

所述腔体沿光束耦合方向先后分别设置有前腔镜和后腔镜；所述前腔镜为平面镜；所述后腔镜为凹面镜；

所述平面镜的后平面和所述凹面镜的前凹面均镀有超高反射率介质膜；所述超高反射率介质膜对应的中心波长为所述原始光的中心波长；

所述耦合输入光从所述平面镜的后平面渡越到所述凹面镜的前凹面时，得到腔内渡越光波；

所述凹面镜的曲率半径与所述腔内渡越光波的波前等相面的曲率半径相同；

所述超稳定光学谐振腔的自由光谱范围为所述微波信号的频率基值和频率周期。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述前腔镜和所述后腔镜真空胶粘在所述腔体沿光束耦合方向的两侧。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述预处理光路包括依次光路连接的半导体激光二极管、准直整形器、第一偏振旋转器、注入器、第一光隔离器、偏振可变分束器、光延时线、准直耦合器；

所述半导体激光二极管，用于输出所述原始光；

所述准直整形器，用于对所述原始光进行准直和光斑整形，以得到第一激光；

所述第一偏振旋转器，用于旋转所述第一激光的偏振方向，使其与所述注入器的透光轴方向一致，以得到旋转后的第一激光；

所述注入器，用于将所述旋转后的第一激光正向通过以得到第一透射光；

所述第一光隔离器，用于将所述第一透射光沿所述第一光隔离器的透光轴方向输出，以得到第二透射光；同时，用于将沿所述第一光隔离器的通光方向反方向传输的反射光或散射光不通过，所述反射光或散射光可为所述第二透射光；

所述偏振可变分束器，用于将所述第二透射光分成分光比连续可调的第一偏振光和第二偏振光；

所述光延时线，用于改变所述第一偏振光通过所述光延时线的光程从而改变所述第一偏振光通过所述光学环路的光程，使得所述光学环路的光程为所述超稳定光学谐振腔腔长的整数倍；

所述准直耦合器，用于对通过所述光延时线的所述第一偏振光进行聚焦，准直和调节光束角度，以得到所述耦合输入光。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述后处理光路包括依次光路连接的第二光隔离器、准直调节器、第二偏振旋转器、所述注入器、所述第一偏振旋转器、所述准直整形器及所述半导体激光二极管；

所述第二光隔离器，用于将所述第一耦合输出光沿所述第二光隔离器的透光轴方向输出，以得到第三透射光；同时将沿所述第二光隔离器的通光方向反方向传输的光不通过；

所述准直调节器，用于对所述第三透射光进行扩束、准直和调节光束角度，以得到第二耦合输出光；

所述第二偏振旋转器，用于旋转所述第二耦合输出光的偏振方向，使其与所述注入器的透光轴方向一致，以得到第一偏振旋转输出光；

所述注入器，还用于将所述第一偏振旋转输出光反向通过，以得到第四透射光，所述第四透射光的光轴方向与所述第一激光的光轴方向重合；

所述第一偏振旋转器，还用于旋转所述第四透射光的偏振方向，以得到第二偏振旋转输出光；

所述准直整形器，还用于对所述第二偏振旋转输出光进行光斑整形和聚焦，以得到整形聚焦输出光；所述整形聚焦输出光的空间模式与所述半导体激光二极管输出的所述原始光的空间模式匹配；

所述半导体激光二极管，还用于在接收所述整形聚焦输出光时进行自注入锁定以产生所述注入锁定后的激光。

6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述半导体激光二极管为法布里-珀罗(FP)半导体激光二极管、分布反馈式(DFB)激光二极管或垂直腔面发射(VCSEL)激光二极管中的任意一种。

7.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述注入器为空间光隔离器、保偏光纤环形器或偏振分光棱镜中的任意一种。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一光隔离器和所述第二光隔离器为空间光隔离器或保偏光纤隔离器。

9.一种微波信号生成方法，其特征在于，包括：

预处理光路产生原始光，并对所述原始光进行预处理，以得到耦合输入光；

超稳定光学谐振腔根据所述耦合输入光产生具有周期性梳状光谱的第一耦合输出光；

后处理光路对所述第一耦合输出光进行后处理，以得到注入锁定后的激光；

光电探测器对所述注入锁定后的激光进行差拍以获得微波信号。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述超稳定光学谐振腔包括：前腔镜，后腔镜及腔体；

所述前腔镜为平面镜；所述后腔镜为凹面镜；

所述耦合输入光从所述平面镜的后平面渡越到所述凹面镜的前凹面时，得到腔内渡越光波；

所述超稳定光学谐振腔根据所述耦合输入光产生具有周期性梳状光谱的第一耦合输出光之前，还包括：

设置所述超稳定光学谐振腔的自由光谱范围为所述微波信号的频率基值和频率周期；

设置所述凹面镜的曲率半径为所述腔内渡越光波的波前等相面的曲率半径；

在所述平面镜的后平面和所述凹面镜的前凹面均镀有超高反射率介质膜。

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