一種用于鎖定激光差頻的光學微波鑒頻器及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于鎖定激光差頻的光學微波鑒頻器及方法，光學微波鑒頻器包括光纖耦合器，接收和混合兩臺激光器發(fā)出的激光并產生和輸出兩個光信號和第二光信號；光電二極管模塊將兩個光信號轉換成兩個微波信號，其中一個微波信號經過微波移相器，然后經過移相的微波信號和未經移相的微波信號進入90°微波電橋混合產生第一電橋信號和第二電橋信號，通過歸一化平衡檢測模塊產生誤差信號；再通過控制模塊產生電壓控制信號，再將電壓控制信號發(fā)送到第二激光器，控制模塊同時分別對第二激光器的頻率和微波移相器的相移進行調諧。本發(fā)明不需要任何的昂貴的射頻源，可用于不同的鎖定精度要求，并且能夠提供可靠的，穩(wěn)定的頻率鎖定及調諧。
【專利說明】
一種用于鎖定激光差頻的光學微波鑒頻器及方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于差頻鎖定技術領域，特別是涉及一種用于鎖定激光差頻的光學微波鑒 頻器及方法。
【背景技術】
[0002] 在很多應用中，例如基于受激布里淵散射的分布式溫度/應力的傳感系統(tǒng)，又如用 光學方法產生的高頻微波，兩激光器間精確的鎖定都是很關鍵的。近年來，市場上已經有極 窄線寬（幾 KHz)的DFB激光器，然而，兩個獨立的不同步的激光器之間，差頻會在幾十MHz范 圍內漂移。本發(fā)明就是關于兩個獨立的激光器之間的差頻鎖定技術。
[0003] 布里淵分布式傳感器制造商O-Z optics為鎖定差頻而開發(fā)了一種比例-積分-微 分(PID)控制器，用一個可調的光纖延遲線來機械地調諧頻率，利用光纖延遲線產生的機械 調諧不但精度低、速度低，而且可重復性差。光學鎖相環(huán)技術是一種控制兩束激光之間的差 頻的方法，需要昂貴的射頻源及射頻器件。光注入鎖定技術是另一項可以產生高質量微波 信號的技術，它用射頻信號調制一束主激光，然后注入調制過的高階光譜來鎖定兩束從屬 激光，這項需要射頻源和多臺激光器的技術是非常復雜和昂貴的?；谕獠可漕l調制產生 微波信號，使用高階調制器來產生高頻微波，雖然只需要一臺激光器，但仍然需要昂貴的射 頻源。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種用于鎖定激光差頻的光學微 波鑒頻器及方法。
[0005] -種用于鎖定激光差頻的光學微波鑒頻器，包括光纖耦合器、光電二極管模塊、微 波移相器、90°微波電橋、歸一化平衡檢測模塊和控制模塊；
[0006] 所述光纖耦合器接收并混合來自第一激光器發(fā)出的第一束激光和來自第二激光 器發(fā)出的第二束激光，并由此產生相應的第一光信號和第二光信號，兩個光信號是獨立的， 所述第一光信號通過光纖耦合器第一輸出端輸出，所述第二光信號通過光纖耦合器第二輸 出立而輸出；
[0007] 所述光電二極管模塊包括第一光電二極管和第二光電二極管，所述第一光電二極 管與光纖親合器第一輸出端連接，接收第一光信號，并將第一光信號轉換成第一微波信號， 第二光電二極管與光纖耦合器第二輸出端連接，接收第二光信號，并將第二光信號轉換成 第二微波信號，第一微波信號和第二微波信號分別通過第一光電二極管輸出端和第二光電 二極管輸出端輸出；
[0008] 所述微波移相器和第二光電二極管輸出端連接，用來接收第二微波信號，并使其 產生相移，然后將經過移相后的微波信號輸出；
[0009 ]所述90°微波電橋包括電橋第一輸入端、電橋第二輸入端、電橋第一輸出端和電橋 第二輸出端，所述電橋第一輸入端連接第一光電二極管輸出端接收第一微波信號，所述電 橋第二輸入端連接微波移相器接收經過移相后的微波信號；90°微波電橋將第一微波信號 和移相后的第二微波信號混合，產生第一電橋信號，并由電橋第一輸出端輸出，同時產生的 第二電橋信號由電橋第二輸出端輸出；
[0010] 所述歸一化平衡檢測模塊與電橋第一輸出端和第二輸出端連接，接收第一電橋信 號和第二電橋信號，在歸一化平衡檢測模塊中將第一電橋信號和第二電橋信號進行運算， 從而產生和輸出誤差信號；
[0011] 所述控制模塊與歸一化平衡檢測模塊連接，接收誤差信號，并根據誤差信號產生 電壓控制信號，所述控制模塊將電壓控制信號發(fā)送到第二激光器，用以調整第二束激光的 頻率;所述控制模塊同時將電壓控制信號發(fā)送到微波移相器，用以調整相移大小。
[0012] 所述光電二極管模塊轉換輸出的第一微波信號的頻率和第二微波信號的頻率相 同，等于第一激光器和第二光器之間的差頻。
[0013] 所述第一電橋信號和第二橋信號之間的相位差由以下公式得到：
[0014]
[0015] 其中θ(ν)是微波移相器所產生的相移;OPD是第一光信號和第二光信號之間的光 程差;f B是第一激光器和第二光器之間的差頻;c是光纖中的光速。
[0016] 所怵拘一仆平衞給涮槌±#產Φ的誤差佶號由以下公式得到：
[0017]
[0018] 其中θ(ν)是微波移相器所產生的相移;OPD是第一光信號和第二光信號之間的光 程差;f B是第一激光器和第二光器之間的差頻;c是光纖中的光速。
[0019] 所述歸一化平衡檢測模塊包括第一微波二極管、第二微波二極管和處理器，所述 第一微波二極管連接電橋第一輸出端，接收第一電橋信號并產生Cl信號;第二微波二極管 連接電橋第二輸出端，接收第二電橋信號并產生C2信號；處理器分別與第一微波二極管和 第二微波二極管連接，并將Cl和C2信號采用公式：（C1-C2)/(C1+C2)進行運算。
[0020] -種光學微波鑒頻器用于鎖定激光差頻的方法，包括以下步驟：
[0021 ] (1)首先由光纖耦合器接收并混合來自第一激光器發(fā)出的第一束激光和來自第二 激光器發(fā)出的第二束激光，并由此產生相應的第一光信號和第二光信號，并通過光纖耦合 器第一輸出端和光纖親合器第二輸出端輸出；
[0022] (2)光電二極管模塊的第一光電二極管和第二光電二極管分別連接光纖耦合器第 一輸出端和第二輸出端，以便接收第一光信號和第二信號，所述光電二極管模塊將第一光 信號和第二光信號分別轉換成第一微波信號和第二微波信號;第一微波信號和第二微波信 號分別通過第一光電二極管輸出端和第二光電二極管輸出端輸出；
[0023] (3)微波移相器連接第二光電二極管輸出端，用來接收第二微波信號，第二微波信 號通過微波移相器產生移相的微波信號，然后輸出移相后的微波信號；
[0024] (4) 90°微波電橋包括電橋第一輸入端、電橋第二輸入端、電橋第一輸出端和電橋 第二輸出端，所述電橋第一輸入端與第一光電二極管輸出端連接用來接收第一微波信號， 所述電橋第二輸入端與微波移相器連接用來接收移相后的微波信號;90°微波電橋將第一 微波信號和移相后的第二微波信號混合，產生的第一電橋信號由電橋第一輸出端輸出，同 時產生的第二電橋信號由電橋第二輸出端輸出；
[0025] (5)歸一化平衡檢測模塊與電橋第一輸出端和電橋第二輸出端連接，接收第一電 橋信號和第二電橋信號，在歸一化平衡檢測模塊中將第一電橋信號和第二電橋信號進行運 算，從而產生和輸出誤差信號；
[0026] (6)控制模塊與歸一化平衡檢測模塊連接，接收誤差信號，并根據誤差信號產生電 壓控制信號，所述控制模塊將電壓控制信號發(fā)送到第二激光器，用以調整第二束激光的頻 率;所述控制模塊同時將電壓控制信號發(fā)送到微波移相器，用以調整相移大小。
[0027]本發(fā)明的有益效果：
[0028] 本發(fā)明提出了一種用于鎖定激光差頻的光學微波鑒頻器及方法，具有以下優(yōu)點：
[0029] (1)巨大的光程差提供了超高的頻率分辨率的可能性。
[0030] (2)微波移相器提供了快速的、準確的并且穩(wěn)定的干涉調諧。
[0031] (3)微波移相器為確保頻率的穩(wěn)定性和準確性形成了一個鎖定微波頻率的閉合控 制環(huán)路。
[0032] (4)頻率測定的時間就是微波移相器中尋址的時間，微波移相器的調諧帶寬是 2GHz，因此，它主要取決于有效的信噪比，歸一化平衡檢測可以有效地抑制激光中的強度噪 聲從而極大的提高了信噪比。
[0033] (5)微波移相器的讀出點總在光學微波鑒頻器的零輸出點來確保最佳的檢測靈敏 度。
[0034] (6)引入光程差的單模光纖的熱系數大概為10~-6/°C，以IOGHz為例，如果把光纖 溫度控制在〇. 1°C以內，微波頻率的分辨率可以達到ΙΚΗζ。
[0035] 本發(fā)明不需要任何的昂貴的射頻源，可用于不同的鎖定精度要求，并且能夠提供 可靠的，穩(wěn)定的頻率鎖定及調諧。
【附圖說明】
[0036] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以 根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0037] 圖1為本發(fā)明用于鎖定激光差頻的光學微波鑒頻器的結構示意圖。
[0038] 圖2為本發(fā)明誤差信號與第一激光器和第二激光器差頻的關系示意圖。
[0039] 圖3是本發(fā)明中光纖耦合器的結構示意圖。
[0040] 圖4是本發(fā)明中光電二極管模塊的結構示意圖。
[0041 ]圖5是本發(fā)明中90°微波電橋的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0042]下面結合附圖對發(fā)明進一步說明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0043]本發(fā)明提供了一種用于激光差頻的光學微波鑒頻器和方法，所述光學微波鑒頻器 包括光纖耦合器、光電二極管模塊、微波移相器、90°微波電橋、歸一化平衡檢測模塊和控制 模塊。
[0044] 如圖1所示，光纖耦合器連接兩個激光器，并輸出兩束混合激光，光電二極管模塊 的第一光電二極管PDl和第二光電二極管TO2將兩束混合激光轉換成兩個微波信號，兩個微 波信號的頻率fB = fBl = fB2,為兩個激光器之間的差頻。其中一個微波信號經過微波移相 器，然后經過移相的微波信號和未經移相的微波信號進入90°微波電橋混合產生第一電橋 信號和第二電橋信號，實際上，90°微波電橋類似于馬赫光學微波干涉儀，90°微波電橋兩路 輸出，類似于干涉儀的兩路輸出，兩路輸出的第一電橋信號和第二電橋信號的相位差由下 列公式得到：
[0045]
[0046]其中θ(ν)是微波移相器所產生的相移;OPD是第一光信號和第二光信號之間的光 程差;f B是第一激光器和第二光器之間的差頻;c是光纖中的光速。
[0047] 歸一化平衡檢測技術就是應用從第一微波二極管和第二微波二極管輸出的Cl和 C2,經過i云筧后得剞誤差信號U(V)，其公式為：
[0048]
[0049]其中θ(ν)是微波移相器所產生的相移;OPD是第一光信號和第二光信號之間的光 程差;f B是第一激光器和第二光器之間的差頻;c是光纖中的光速。
[0050] 如圖2所示，U(V)= 0(Θ (V) = 90°時）作為頻率鎖定點，對于任意fB，在微波移相器 范圍內，光學微波鑒頻器都輸出一個誤差信號U，這樣就有一個電壓控制信號V被加到第二 激光器上，利用負反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)對其頻率進行調整，這樣誤差信號就會減小，在鎖定 點，微波移相器上的讀數(V)，就是差頻，也就是微波頻率。
[0051 ] 兩個光路之間的光程差Oro決定了一個自由光譜范圍FSR，F(xiàn)SR由以下公式得到：
[0052]
[0053]如果Δ φ表示微波移相器的分辨率，那么它的整個的頻率解析度就是2V A Φ，其 頻率分辨率的計算公式為：
[0054]
[0055]從埋論上米諷，増那光纖長度，就是增加了OPD，就能提高頻率分辨率，這對于微波 電纜來說是很難達到的。
[0056]如圖3所示，光纖耦合器接收和混合了來自第一激光器的第一束激光和來自第二 激光器的第二束激光，然后光纖耦合器通過其第一輸出端和第二輸出端，分別產生和輸出 了第一光信號和第二光信號。
[0057]如圖4所不，光電二極管模塊包括第一光電二極管和第二光電二極管，所述第一光 電二極管與光纖耦合器第一輸出端連接，接收第一光信號，并將第一光信號轉換成第一微 波信號，并通過第一光電二極管輸出端輸出；第二光電二極管與光纖耦合器第二輸出端連 接，接收第二光信號，并將第二光信號轉換成第二微波信號，并通過第二光電二極管輸出端 輸出。
[0058]如圖5所不，90°微波電橋包括四個端口：電橋第一輸入端、電橋第二輸入端、電橋 第一輸出端和電橋第二輸出端，第一橋輸入端連接第一光電二極管輸出端，并接收第一光 電二極管的第一微波信號，第二橋輸入端連接了微波移相器，并接收經過移相的第二微波 信號，90°微波電橋將第一微波信號和移相后的第二微波信號混合，產生的第一電橋信號由 電橋第一輸出端輸出，同時產生的第二電橋信號由電橋第二輸出端輸出。
[0059]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術 人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本 發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變 化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其 等同物界定。
【主權項】
1. 一種用于鎖定激光差頻的光學微波鑒頻器，其特征在于:包括光纖耦合器、光電二極 管模塊、微波移相器、90°微波電橋、歸一化平衡檢測模塊和控制模塊； 所述光纖耦合器接收并混合來自第一激光器發(fā)出的第一束激光和來自第二激光器發(fā) 出的第二束激光，并由此產生相應的第一光信號和第二光信號，兩個光信號是獨立的，所述 第一光信號通過光纖耦合器第一輸出端輸出，所述第二光信號通過光纖耦合器第二輸出端 輸出； 所述光電二極管模塊包括第一光電二極管和第二光電二極管，所述第一光電二極管與 光纖耦合器第一輸出端連接，接收第一光信號，并將第一光信號轉換成第一微波信號，并通 過第一光電二極管輸出端輸出；第二光電二極管與光纖耦合器第二輸出端連接，接收第二 光信號，并將第二光信號轉換成第二微波信號，并通過第二光電二極管輸出端輸出； 所述微波移相器和光電二極管第二輸出端連接，用來接收第二微波信號，并使其產生 相移，然后將經過移相后的微波信號輸出； 所述90°微波電橋包括電橋第一輸入端、電橋第二輸入端、電橋第一輸出端和電橋第二 輸出端，所述電橋第一輸入端連接第一光電二極管輸出端接收第一微波信號，所述電橋第 二輸入端連接微波移相器接收經過移相后的第二微波信號；90°微波電橋將第一微波信號 和移相后的第二微波信號混合，產生的第一電橋信號由電橋第一輸出端輸出，同時產生的 第二電橋信號由電橋第二輸出端輸出； 所述歸一化平衡檢測模塊與電橋第一輸出端和第二輸出端連接，接收第一電橋信號和 第二電橋信號，在歸一化平衡檢測模塊中將第一電橋信號和第二電橋信號進行運算，從而 產生和輸出誤差信號； 所述控制模塊連接歸一化平衡檢測模塊，接收誤差信號后產生電壓控制信號，并將電 壓控制信號發(fā)送到第二激光器，用以調整第二路激光的頻率，同時將控制電壓發(fā)送到微波 移相器來調整相移大小。2. 根據權利要求1所述的一種用于鎖定激光差頻的光學微波鑒頻器，其特征在于:所述 光電二極管模塊轉換輸出的第一微波信號的頻率和第二微波信號的頻率相同，等于第一激 光器和第二光器之間的差頻。3. 根據權利要求1或2所述的一種用于鎖定激光差頻的光學微波鑒頻器，其特征在于： 所述第一電橋信號和第二橋信號之間的相位差由以下公式得到：其中θ(ν)是微波移相器所產生的相移;oro是第一光信號和第二光信號之間的光程差； fB是第一激光器和第二光器之間的差頻;c是光纖中的光速。4. 根據權利要求3所述的一種用于鎖定激光差頻的光學微波鑒頻器，其特征在于:所述 歸一化平衡檢測模塊產出的彳呈筆信縣由W下公式彳縣剎.其中θ(ν)是微波移相器所產生的相移;oro是第一光信號和第二光信號之間的光程差； fB是第一激光器和第二光器之間的差頻;c是光纖中的光速。5. 根據權利要求4所述的一種用于鎖定激光差頻的光學微波鑒頻器，其特征在于:所述 歸一化平衡檢測模塊包括第一微波二極管、第二微波二極管和處理器，所述第一微波二極 管連接電橋第一輸出端，接收第一電橋信號并產生Cl信號;第二微波二極管連接電橋第二 輸出端，接收第二電橋信號并產生C2信號;處理器分別與第一微波二極管和第二微波二極 管連接，并將Cl和C2信號采用公式：（C1-C2)/(C1+C2)進行運算。6. -種光學微波鑒頻器用于鎖定激光差頻的方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 首先由光纖耦合器接收并混合來自第一激光器發(fā)出的第一束激光和來自第二激光 器發(fā)出的第二束激光，并由此產生相應的第一光信號和第二光信號，并通過光纖耦合器第 一輸出端和光纖親合器第二輸出端輸出； (2) 光電二極管模塊的第一光電二極管和第二光電二極管分別連接光纖耦合器第一輸 出端和第二輸出端，以便接收第一光信號和第二信號，所述光電二極管模塊將第一光信號 和第二光信號分別轉換成第一微波信號和第二微波信號;第一微波信號和第二微波信號分 別通過第一個光電二極管輸出端口和第二個光電二極管的輸出端口輸出； (3) 微波移相器連接第二個光電二極管輸出端，用來接收第二微波信號，第二微波信號 通過微波移相器產生一個移相的微波信號，然后輸出移相后的微波信號； (4) 90°微波電橋包括電橋第一輸入端、電橋第二輸入端、電橋第一輸出端和電橋第二 輸出端，所述電橋第一輸入端與第一光電二極管輸出端連接用來接收第一微波信號，所述 電橋第二輸入端與微波移相器連接用來接收移相后的第二微波信號;90°微波電橋將第一 微波信號和移相后的微波信號混合，產生的第一電橋信號由電橋第一輸出端輸出，同時產 生的第二電橋信號由電橋第二輸出端輸出； (5) 歸一化平衡檢測模塊與電橋第一輸出端和電橋第二輸出端連接，接收第一電橋信 號和第二電橋信號，在歸一化平衡檢測模塊中將第一電橋信號和第二電橋信號進行運算， 從而產生和輸出誤差信號； (6) 控制模塊連接歸一化平衡檢測模塊，接收誤差信號后產生電壓控制信號，并將電壓 控制信號發(fā)送到第二激光器，用以調整第二路激光的頻率，同時將控制電壓發(fā)送到微波移 相器來調整相移大小。7. 根據權利要求6所述的一種用于鎖定激光差頻的方法，其特征在于:所述光電二極管 模塊轉換輸出的第一微波信號的頻率和第二微波信號的頻率相同，等于第一激光器和第二 光器之間的差頻。8. 根據權利要求7所述的一種用于鎖定激光差頻的方法，其特征在于:所述第一電橋信 號和第二橋信號之間的相位差由以下公式得到：其中θ(ν)是微波移相器所產生的相移;(PD是第一光信號和第二光信號之間的光程差； fB是第一激光器和第二光器之間的差頻;c是光纖中的光速。9. 根據權利要求8所述的一種用于鎖定激光差頻的方法，其特征在于:所述歸一化平衡 檢測模塊產生的誤差信號由以下公式得到：其中θ(ν)是微波移相器所產生的相移;oro是第一光信號和第二光信號之間的光程差； fB是第一激光器和第二光器之間的差頻;c是光纖中的光速。10.根據權利要求9所述的一種用于鎖定激光差頻的方法，其特征在于:所述歸一化平 衡檢測模塊包括第一微波二極管、第二微波二極管和處理器，所述第一微波二極管連接電 橋第一輸出端，接收第一電橋信號并產生Cl信號;第二微波二極管連接電橋第二輸出端，接 收第二電橋信號并產生C2信號;處理器分別與第一微波二極管和第二微波二極管連接，并 將Cl和C2信號采用公式：（C1-C2)/(C1+C2)進行運算。
【文檔編號】G01J9/04GK105890780SQ201610218562
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月8日
【發(fā)明人】伍樹東, 王文博
【申請人】淄博齊瑞德光電技術有限公司, 北京齊瑞德光電科技有限公司