CN118137266A - 一种基于晶体谐振腔抑制互易性噪声的光生微波源及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光生微波技术领域，具体是一种基于晶体谐振腔抑制互易性噪声的光生微波源及方法。本发明解决了现有光生微波源结构复杂、实现成本高、产生的微波信号频率稳定性差的问题。一种基于晶体谐振腔抑制互易性噪声的光生微波源，包括第一可调谐激光器、第二可调谐激光器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一聚焦光纤、第二聚焦光纤、耦合棱镜、晶体谐振腔、锥形光纤、第一分束器、第二分束器、第一光电探测器、第二光电探测器、双踪示波器、合束器；其中，第一可调谐激光器的出射端依次通过第一偏振控制器、第一聚焦光纤与耦合棱镜的第一个入射面连接。本发明适用于精密测量、导航授时等领域。
Description
技术领域
本发明涉及光生微波技术领域，具体是一种基于晶体谐振腔抑制互易性噪声的光生微波源及方法。
背景技术
随着科学技术的发展，光生微波源已经成为精密测量、导航授时等领域中光学系统的核心器件。然而在现有技术条件下，光生微波源由于通过外差拍频的方式产生微波信号，导致其存在如下问题：其一，现有光生微波源需要通过光学光栅、外腔反馈等方式对激光器的线宽进行压窄，由此导致结构复杂、实现成本高。其二，现有光生微波源无法抑制微波信号中的互易性噪声，由此导致产生的微波信号频率稳定性差。基于此，有必要发明一种基于晶体谐振腔抑制互易性噪声的光生微波源及方法，以解决现有光生微波源结构复杂、实现成本高、产生的微波信号频率稳定性差的问题。
发明内容
本发明为了解决现有光生微波源结构复杂、实现成本高、产生的微波信号频率稳定性差的问题，提供了一种基于晶体谐振腔抑制互易性噪声的光生微波源及方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种基于晶体谐振腔抑制互易性噪声的光生微波源，包括第一可调谐激光器、第二可调谐激光器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一聚焦光纤、第二聚焦光纤、耦合棱镜、晶体谐振腔、锥形光纤、第一分束器、第二分束器、第一光电探测器、第二光电探测器、双踪示波器、合束器；
其中，第一可调谐激光器的出射端依次通过第一偏振控制器、第一聚焦光纤与耦合棱镜的第一个入射面连接；第二可调谐激光器的出射端依次通过第二偏振控制器、第二聚焦光纤与耦合棱镜的第二个入射面连接；耦合棱镜的出射面与晶体谐振腔耦合；晶体谐振腔与锥形光纤耦合；锥形光纤的两端分别与第一分束器的入射端和第二分束器的入射端连接；
第一分束器的第一个出射端与第一光电探测器的入射端连接；第一光电探测器的信号输出端与双踪示波器的第一个信号输入端连接；第二分束器的第一个出射端与第二光电探测器的入射端连接；第二光电探测器的信号输出端与双踪示波器的第二个信号输入端连接；第一分束器的第二个出射端与合束器的第一个入射端连接；第二分束器的第二个出射端与合束器的第二个入射端连接；合束器的出射端作为微波信号输出端。
第一可调谐激光器、第二可调谐激光器均采用1550nm连续可调谐窄线宽激光器或780nm连续可调谐窄线宽激光器或980nm连续可调谐窄线宽激光器或1950nm连续可调谐窄线宽激光器。
第一聚焦光纤、第二聚焦光纤均镀有相应波长范围>99.9%的增透膜。
耦合棱镜的两个入射面均镀有相应波长范围>99.9%的增透膜。
所述晶体谐振腔采用如下步骤制备而成：首先，利用单点金刚石切削工艺对表面未抛光的氟化钙晶体进行切削处理，得到直径为5mm、厚度为0.3mm的圆盘形氟化钙晶体；然后，对圆盘形氟化钙晶体进行抛圆及表面预处理；然后，利用抛光纸和抛光液对圆盘形氟化钙晶体进行机械抛光，由此制得直径为4.8mm的晶体谐振腔。
所述锥形光纤采用如下步骤制备而成：首先，在单模光纤上选取长度为2cm的中心区域；然后，利用剥线钳将所选取中心区域的涂覆层和外包层剥掉；然后，利用氢氧火焰对剥好的中心区域预热10min，并利用熔融拉锥机缓慢匀速地拉伸单模光纤的两端，直至中心区域的直径最小达到1.5μm，由此制得锥形光纤。
第一分束器的分光比、第二分束器的分光比、合束器的合光比均为50:50或95:5或90:10或80:20或70:30。
一种基于晶体谐振腔抑制互易性噪声的光生微波方法（该方法是基于本发明所述的一种基于晶体谐振腔抑制互易性噪声的光生微波源实现的），该方法是采用如下步骤实现的：
首先，控制光生微波源进入工作模式；工作模式具体为：
第一可调谐激光器发出的光依次经第一偏振控制器、第一聚焦光纤进行偏振、聚焦后入射到耦合棱镜，并通过倏逝场耦合进入晶体谐振腔内形成谐振驻波，然后经锥形光纤入射到第一分束器，并经第一分束器分为功率相等的两路光信号；
第二可调谐激光器发出的光依次经第二偏振控制器、第二聚焦光纤进行偏振、聚焦后入射到耦合棱镜，并通过倏逝场耦合进入晶体谐振腔内形成谐振驻波，然后经锥形光纤入射到第二分束器，并经第二分束器分为功率相等的两路光信号；
第一分束器分出的第一路光信号入射到第一光电探测器，并经第一光电探测器转换为第一路电信号后传输至双踪示波器进行显示；
第二分束器分出的第一路光信号入射到第二光电探测器，并经第二光电探测器转换为第二路电信号后传输至双踪示波器进行显示；
第一分束器分出的第二路光信号和第二分束器分出的第二路光信号均入射到合束器，并在合束器中叠加形成拍频信号，该拍频信号即为微波信号；
在工作模式下，一方面通过第一偏振控制器调节第一路电信号的相位，另一方面通过第二偏振控制器调节第二路电信号的相位，并通过双踪示波器实时观察两路电信号的相位；当两路电信号的相位差为π的整数倍时，微波信号中的互易性噪声实现相干相消，此时的微波信号即为频率稳定的微波信号。
与现有光生微波源相比，本发明所述的一种基于晶体谐振腔抑制互易性噪声的光生微波源及方法不再通过外差拍频的方式产生微波信号，而是通过正交偏振双模拍频的方式产生微波信号，由此具备了如下优点：其一，本发明无需通过光学光栅、外腔反馈等方式对激光器的线宽进行压窄，由此使得结构更简单、实现成本更低。其二，本发明能够有效抑制微波信号中的互易性噪声，由此使得产生的微波信号频率稳定性更高。
本发明有效解决了现有光生微波源结构复杂、实现成本高、产生的微波信号频率稳定性差的问题，适用于精密测量、导航授时等领域。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的部分结构示意图。
图3是图2的右视图。
图中：1-第一可调谐激光器，2-第二可调谐激光器，3-第一偏振控制器，4-第二偏振控制器，5-第一聚焦光纤，6-第二聚焦光纤，7-耦合棱镜，8-晶体谐振腔，9-锥形光纤，10-第一分束器，11-第二分束器，12-第一光电探测器，13-第二光电探测器，14-双踪示波器，15-合束器；带箭头的虚线表示光的传播路径。
具体实施方式
一种基于晶体谐振腔抑制互易性噪声的光生微波源，包括第一可调谐激光器1、第二可调谐激光器2、第一偏振控制器3、第二偏振控制器4、第一聚焦光纤5、第二聚焦光纤6、耦合棱镜7、晶体谐振腔8、锥形光纤9、第一分束器10、第二分束器11、第一光电探测器12、第二光电探测器13、双踪示波器14、合束器15；
其中，第一可调谐激光器1的出射端依次通过第一偏振控制器3、第一聚焦光纤5与耦合棱镜7的第一个入射面连接；第二可调谐激光器2的出射端依次通过第二偏振控制器4、第二聚焦光纤6与耦合棱镜7的第二个入射面连接；耦合棱镜7的出射面与晶体谐振腔8耦合；晶体谐振腔8与锥形光纤9耦合；锥形光纤9的两端分别与第一分束器10的入射端和第二分束器11的入射端连接；
第一分束器10的第一个出射端与第一光电探测器12的入射端连接；第一光电探测器12的信号输出端与双踪示波器14的第一个信号输入端连接；第二分束器11的第一个出射端与第二光电探测器13的入射端连接；第二光电探测器13的信号输出端与双踪示波器14的第二个信号输入端连接；第一分束器10的第二个出射端与合束器15的第一个入射端连接；第二分束器11的第二个出射端与合束器15的第二个入射端连接；合束器15的出射端作为微波信号输出端。
第一可调谐激光器1、第二可调谐激光器2均采用1550nm连续可调谐窄线宽激光器或780nm连续可调谐窄线宽激光器或980nm连续可调谐窄线宽激光器或1950nm连续可调谐窄线宽激光器。
第一聚焦光纤5、第二聚焦光纤6均镀有相应波长范围>99.9%的增透膜。
耦合棱镜7的两个入射面均镀有相应波长范围>99.9%的增透膜。
所述晶体谐振腔8采用如下步骤制备而成：首先，利用单点金刚石切削工艺对表面未抛光的氟化钙晶体进行切削处理，得到直径为5mm、厚度为0.3mm的圆盘形氟化钙晶体；然后，对圆盘形氟化钙晶体进行抛圆及表面预处理；然后，利用抛光纸和抛光液对圆盘形氟化钙晶体进行机械抛光，由此制得直径为4.8mm的晶体谐振腔8。
所述锥形光纤9采用如下步骤制备而成：首先，在单模光纤上选取长度为2cm的中心区域；然后，利用剥线钳将所选取中心区域的涂覆层和外包层剥掉；然后，利用氢氧火焰对剥好的中心区域预热10min，并利用熔融拉锥机缓慢匀速地拉伸单模光纤的两端，直至中心区域的直径最小达到1.5μm，由此制得锥形光纤9。
第一分束器10的分光比、第二分束器11的分光比、合束器15的合光比均为50:50或95:5或90:10或80:20或70:30。
一种基于晶体谐振腔抑制互易性噪声的光生微波方法（该方法是基于本发明所述的一种基于晶体谐振腔抑制互易性噪声的光生微波源实现的），该方法是采用如下步骤实现的：
首先，控制光生微波源进入工作模式；工作模式具体为：
第一可调谐激光器1发出的光依次经第一偏振控制器3、第一聚焦光纤5进行偏振、聚焦后入射到耦合棱镜7，并通过倏逝场耦合进入晶体谐振腔8内形成谐振驻波，然后经锥形光纤9入射到第一分束器10，并经第一分束器10分为功率相等的两路光信号；
第二可调谐激光器2发出的光依次经第二偏振控制器4、第二聚焦光纤6进行偏振、聚焦后入射到耦合棱镜7，并通过倏逝场耦合进入晶体谐振腔8内形成谐振驻波，然后经锥形光纤9入射到第二分束器11，并经第二分束器11分为功率相等的两路光信号；
第一分束器10分出的第一路光信号入射到第一光电探测器12，并经第一光电探测器12转换为第一路电信号后传输至双踪示波器14进行显示；
第二分束器11分出的第一路光信号入射到第二光电探测器13，并经第二光电探测器13转换为第二路电信号后传输至双踪示波器14进行显示；
第一分束器10分出的第二路光信号和第二分束器11分出的第二路光信号均入射到合束器15，并在合束器15中叠加形成拍频信号，该拍频信号即为微波信号；
在工作模式下，一方面通过第一偏振控制器3调节第一路电信号的相位，另一方面通过第二偏振控制器4调节第二路电信号的相位，并通过双踪示波器14实时观察两路电信号的相位；当两路电信号的相位差为π的整数倍时，微波信号中的互易性噪声实现相干相消，此时的微波信号即为频率稳定的微波信号。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于晶体谐振腔抑制互易性噪声的光生微波源，其特征在于：包括第一可调谐激光器（1）、第二可调谐激光器（2）、第一偏振控制器（3）、第二偏振控制器（4）、第一聚焦光纤（5）、第二聚焦光纤（6）、耦合棱镜（7）、晶体谐振腔（8）、锥形光纤（9）、第一分束器（10）、第二分束器（11）、第一光电探测器（12）、第二光电探测器（13）、双踪示波器（14）、合束器（15）；
其中，第一可调谐激光器（1）的出射端依次通过第一偏振控制器（3）、第一聚焦光纤（5）与耦合棱镜（7）的第一个入射面连接；第二可调谐激光器（2）的出射端依次通过第二偏振控制器（4）、第二聚焦光纤（6）与耦合棱镜（7）的第二个入射面连接；耦合棱镜（7）的出射面与晶体谐振腔（8）耦合；晶体谐振腔（8）与锥形光纤（9）耦合；锥形光纤（9）的两端分别与第一分束器（10）的入射端和第二分束器（11）的入射端连接；
第一分束器（10）的第一个出射端与第一光电探测器（12）的入射端连接；第一光电探测器（12）的信号输出端与双踪示波器（14）的第一个信号输入端连接；第二分束器（11）的第一个出射端与第二光电探测器（13）的入射端连接；第二光电探测器（13）的信号输出端与双踪示波器（14）的第二个信号输入端连接；第一分束器（10）的第二个出射端与合束器（15）的第一个入射端连接；第二分束器（11）的第二个出射端与合束器（15）的第二个入射端连接；合束器（15）的出射端作为微波信号输出端。
2.根据权利要求1所述的一种基于晶体谐振腔抑制互易性噪声的光生微波源，其特征在于：第一可调谐激光器（1）、第二可调谐激光器（2）均采用1550nm连续可调谐窄线宽激光器或780nm连续可调谐窄线宽激光器或980nm连续可调谐窄线宽激光器或1950nm连续可调谐窄线宽激光器。
3.根据权利要求1所述的一种基于晶体谐振腔抑制互易性噪声的光生微波源，其特征在于：第一聚焦光纤（5）、第二聚焦光纤（6）均镀有相应波长范围>99.9%的增透膜。
4.根据权利要求1所述的一种基于晶体谐振腔抑制互易性噪声的光生微波源，其特征在于：耦合棱镜（7）的两个入射面均镀有相应波长范围>99.9%的增透膜。
5.根据权利要求1所述的一种基于晶体谐振腔抑制互易性噪声的光生微波源，其特征在于：所述晶体谐振腔（8）采用如下步骤制备而成：首先，利用单点金刚石切削工艺对表面未抛光的氟化钙晶体进行切削处理，得到直径为5mm、厚度为0.3mm的圆盘形氟化钙晶体；然后，对圆盘形氟化钙晶体进行抛圆及表面预处理；然后，利用抛光纸和抛光液对圆盘形氟化钙晶体进行机械抛光，由此制得直径为4.8mm的晶体谐振腔（8）。
6.根据权利要求1所述的一种基于晶体谐振腔抑制互易性噪声的光生微波源，其特征在于：所述锥形光纤（9）采用如下步骤制备而成：首先，在单模光纤上选取长度为2cm的中心区域；然后，利用剥线钳将所选取中心区域的涂覆层和外包层剥掉；然后，利用氢氧火焰对剥好的中心区域预热10min，并利用熔融拉锥机缓慢匀速地拉伸单模光纤的两端，直至中心区域的直径最小达到1.5μm，由此制得锥形光纤（9）。
7.根据权利要求1所述的一种基于晶体谐振腔抑制互易性噪声的光生微波源，其特征在于：第一分束器（10）的分光比、第二分束器（11）的分光比、合束器（15）的合光比均为50:50或95:5或90:10或80:20或70:30。
8.一种基于晶体谐振腔抑制互易性噪声的光生微波方法，该方法是基于如权利要求1所述的一种基于晶体谐振腔抑制互易性噪声的光生微波源实现的，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
首先，控制光生微波源进入工作模式；工作模式具体为：
第一可调谐激光器（1）发出的光依次经第一偏振控制器（3）、第一聚焦光纤（5）进行偏振、聚焦后入射到耦合棱镜（7），并通过倏逝场耦合进入晶体谐振腔（8）内形成谐振驻波，然后经锥形光纤（9）入射到第一分束器（10），并经第一分束器（10）分为功率相等的两路光信号；
第二可调谐激光器（2）发出的光依次经第二偏振控制器（4）、第二聚焦光纤（6）进行偏振、聚焦后入射到耦合棱镜（7），并通过倏逝场耦合进入晶体谐振腔（8）内形成谐振驻波，然后经锥形光纤（9）入射到第二分束器（11），并经第二分束器（11）分为功率相等的两路光信号；
第一分束器（10）分出的第一路光信号入射到第一光电探测器（12），并经第一光电探测器（12）转换为第一路电信号后传输至双踪示波器（14）进行显示；
第二分束器（11）分出的第一路光信号入射到第二光电探测器（13），并经第二光电探测器（13）转换为第二路电信号后传输至双踪示波器（14）进行显示；
第一分束器（10）分出的第二路光信号和第二分束器（11）分出的第二路光信号均入射到合束器（15），并在合束器（15）中叠加形成拍频信号，该拍频信号即为微波信号；
在工作模式下，一方面通过第一偏振控制器（3）调节第一路电信号的相位，另一方面通过第二偏振控制器（4）调节第二路电信号的相位，并通过双踪示波器（14）实时观察两路电信号的相位；当两路电信号的相位差为π的整数倍时，微波信号中的互易性噪声实现相干相消，此时的微波信号即为频率稳定的微波信号。
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| 谢鹏: "微腔光频梳及其在微波信号产生中的应用研究", 《中国博士学位论文全文数据库 基础科学辑》, no. 06, 30 June 2021 (2021-06-30), pages 005 - 12 * |
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