一种用于锁定激光差频的光学微波鉴频器及方法技术

本发明专利技术公开了一种用于锁定激光差频的光学微波鉴频器及方法，光学微波鉴频器包括光纤耦合器，接收和混合两台激光器发出的激光并产生和输出两个光信号和第二光信号；光电二极管模块将两个光信号转换成两个微波信号，其中一个微波信号经过微波移相器，然后经过移相的微波信号和未经移相的微波信号进入90°微波电桥混合产生第一电桥信号和第二电桥信号，通过归一化平衡检测模块产生误差信号；再通过控制模块产生电压控制信号，再将电压控制信号发送到第二激光器，控制模块同时分别对第二激光器的频率和微波移相器的相移进行调谐。本发明专利技术不需要任何的昂贵的射频源，可用于不同的锁定精度要求，并且能够提供可靠的，稳定的频率锁定及调谐。

Optical microwave frequency discriminator and method for locking laser difference frequency

The invention discloses a method for locking the laser frequency difference of optical microwave discriminator and method, optical microwave discriminator including fiber optic coupler, laser receiving and mixing the two lasers emitted and the production and output of two and second optical signals; photoelectric diode module two to convert optical signals into two microwave signal, one microwave signal through microwave phase shifter, and then through the microwave signal phase and microwave signal without phase shift into 90 degree hybrid microwave bridge and second bridge bridge signal generates a first signal and generates an error signal through the normalized balance detection module; the control module generates a voltage control signal, then the voltage control signal sent to the second laser control module, at the same time respectively for the second laser frequency and microwave phase shifter phase tuning. The invention does not require any expensive RF source, can be used for different lock precision requirements, and can provide reliable and stable frequency locking and tuning.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于差频锁定
，特别是涉及一种用于锁定激光差频的光学微波鉴频器及方法。
技术介绍
在很多应用中，例如基于受激布里渊散射的分布式温度/应力的传感系统，又如用光学方法产生的高频微波，两激光器间精确的锁定都是很关键的。近年来，市场上已经有极窄线宽(几KHz)的DFB激光器，然而，两个独立的不同步的激光器之间，差频会在几十MHz范围内漂移。本专利技术就是关于两个独立的激光器之间的差频锁定技术。布里渊分布式传感器制造商O-Zoptics为锁定差频而开发了一种比例-积分-微分(PID)控制器，用一个可调的光纤延迟线来机械地调谐频率，利用光纤延迟线产生的机械调谐不但精度低、速度低，而且可重复性差。光学锁相环技术是一种控制两束激光之间的差频的方法，需要昂贵的射频源及射频器件。光注入锁定技术是另一项可以产生高质量微波信号的技术，它用射频信号调制一束主激光，然后注入调制过的高阶光谱来锁定两束从属激光，这项需要射频源和多台激光器的技术是非常复杂和昂贵的。基于外部射频调制产生微波信号，使用高阶调制器来产生高频微波，虽然只需要一台激光器，但仍然需要昂贵的射频源。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于克服现有技术的不足，提供一种用于锁定激光差频的光学微波鉴频器及方法。一种用于锁定激光差频的光学微波鉴频器，包括光纤耦合器、光电二极管模块、微波移相器、90°微波电桥、归一化平衡检测模块和控制模块；所述光纤耦合器接收并混合来自第一激光器发出的第一束激光和来自第二激光器发出的第二束激光，并由此产生相应的第一光信号和第二光信号，两个光信号是独立的，所述第一光信号通过光纤耦合器第一输出端输出，所述第二光信号通过光纤耦合器第二输出端输出；所述光电二极管模块包括第一光电二极管和第二光电二极管，所述第一光电二极管与光纤耦合器第一输出端连接，接收第一光信号，并将第一光信号转换成第一微波信号，第二光电二极管与光纤耦合器第二输出端连接，接收第二光信号，并将第二光信号转换成第二微波信号，第一微波信号和第二微波信号分别通过第一光电二极管输出端和第二光电二极管输出端输出；所述微波移相器和第二光电二极管输出端连接，用来接收第二微波信号，并使其产生相移，然后将经过移相后的微波信号输出；所述90°微波电桥包括电桥第一输入端、电桥第二输入端、电桥第一输出端和电桥第二输出端，所述电桥第一输入端连接第一光电二极管输出端接收第一微波信号，所述电桥第二输入端连接微波移相器接收经过移相后的微波信号；90°微波电桥将第一微波信号和移相后的第二微波信号混合，产生第一电桥信号，并由电桥第一输出端输出,同时产生的第二电桥信号由电桥第二输出端输出；所述归一化平衡检测模块与电桥第一输出端和第二输出端连接，接收第一电桥信号和第二电桥信号，在归一化平衡检测模块中将第一电桥信号和第二电桥信号进行运算，从而产生和输出误差信号；所述控制模块与归一化平衡检测模块连接，接收误差信号，并根据误差信号产生电压控制信号，所述控制模块将电压控制信号发送到第二激光器，用以调整第二束激光的频率；所述控制模块同时将电压控制信号发送到微波移相器，用以调整相移大小。所述光电二极管模块转换输出的第一微波信号的频率和第二微波信号的频率相同，等于第一激光器和第二光器之间的差频。所述第一电桥信号和第二桥信号之间的相位差由以下公式得到：Φ(V):=2·π·OPDc·fB+θ(V)]]>其中θ(V)是微波移相器所产生的相移；OPD是第一光信号和第二光信号之间的光程差；fB是第一激光器和第二光器之间的差频；c是光纤中的光速。所述归一化平衡检测模块产生的误差信号由以下公式得到：U(V,fB):=cos[(2·π·OPDc·fB)+θ(V)]]]>其中θ(V)是微波移相器所产生的相移；OPD是第一光信号和第二光信号之间的光程差；fB是第一激光器和第二光器之间的差频；c是光纤中的光速。所述归一化平衡检测模块包括第一微波二极管、第二微波二极管和处理器，所述第一微波二极管连接电桥第一输出端，接收第一电桥信号并产生C1信号；第二微波二极管连接电桥第二输出端，接收第二电桥信号并产生C2信号；处理器分别与第一微波二极管和第二微波二极管连接，并将C1和C2信号采用公式：(C1-C2)/(C1+C2)进行运算。一种光学微波鉴频器用于锁定激光差频的方法，包括以下步骤：(1)首先由光纤耦合器接收并混合来自第一激光器发出的第一束激光和来自第二激光器发出的第二束激光，并由此产生相应的第一光信号和第二光信号，并通过光纤耦合器第一输出端和光纤耦合器第二输出端输出；(2)光电二极管模块的第一光电二极管和第二光电二极管分别连接光纤耦合器第一输出端和第二输出端，以便接收第一光信号和第二信号，所述光电二极管模块将第一光信号和第二光信号分别转换成第一微波信号和第二微波信号；第一微波信号和第二微波信号分别通过第一光电二极管输出端和第二光电二极管输出端输出；(3)微波移相器连接第二光电二极管输出端，用来接收第二微波信号，第二微波信号通过微波移相器产生移相的微波信号，然后输出移相后的微波信号；(4)90°微波电桥包括电桥第一输入端、电桥第二输入端、电桥第一输出端和电桥第二输出端，所述电桥第一输入端与第一光电二极管输出端连接用来接收第一微波信号，所述电桥第二输入端与微波移相器连接用来接收移相后的微波信号；90°微波电桥将第一微波信号和移相后的第二微波信号混合，产生的第一电桥信号由电桥第一输出端输出，同时产生的第二电桥信号由电桥第二输出端输出；(5)归一化平衡检测模块与电桥第一输出端和电桥第二输出端连接，接收第一电桥信号和第二电桥信号，在归一化平衡检测模块中将第一电桥信号和第二电桥信号进行运算，从而产生和输出误差信号；(6)控制模块与归一化平衡检测模块连接，接收误差信号，并根据误差信号产生电压控制信号，所述控制模块将电压控制信号发送到第二激光器，用以调整第二束激光的频率；所述控制模块同时将电压控制信号发送到微波移相器，用以调整相移大小。本专利技术的有益效果：本专利技术提出了一种用于锁定激光差频的光学微波鉴频器及方法，具有以下优点：(1)巨大的光程差提供了超高的频率分辨率的可能性。(2)微波移相器提供了快速的、准确的并且稳定的干涉调谐。(3)微波移相器为确保频率的稳定性和准确性形成了一个锁定微波频率的闭合控制环路。(4)频率测定的时间就是微波移相器中寻址的时间，微波移相器的调谐带宽是2GHz，因此，它主要取决于有效的信噪比，归一化平衡检测可以有效地抑制激光中的强度噪声从而极大的提高了信噪比。(5)微波移相器的读出点总在光学微波鉴频器的零输出点来确保最佳的检测灵敏度。(6)引入光程差的单模光纤的热系数大概为10^-6/℃，以10GHz为例，如果把光纤温度控制在0.1℃以内，微波频率的分辨率可以达到1KHz。本专利技术不需要任何的昂贵的射频源，可用于不同的锁定精度要求，并且能够提供可靠的，稳定的频率锁定及调谐。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于锁定激光差频的光学微波鉴频器，其特征在于：包括光纤耦合器、光电二极管模块、微波移相器、90°微波电桥、归一化平衡检测模块和控制模块；所述光纤耦合器接收并混合来自第一激光器发出的第一束激光和来自第二激光器发出的第二束激光，并由此产生相应的第一光信号和第二光信号，两个光信号是独立的，所述第一光信号通过光纤耦合器第一输出端输出，所述第二光信号通过光纤耦合器第二输出端输出；所述光电二极管模块包括第一光电二极管和第二光电二极管，所述第一光电二极管与光纤耦合器第一输出端连接，接收第一光信号，并将第一光信号转换成第一微波信号，并通过第一光电二极管输出端输出；第二光电二极管与光纤耦合器第二输出端连接，接收第二光信号，并将第二光信号转换成第二微波信号，并通过第二光电二极管输出端输出；所述微波移相器和光电二极管第二输出端连接，用来接收第二微波信号，并使其产生相移，然后将经过移相后的微波信号输出；所述90°微波电桥包括电桥第一输入端、电桥第二输入端、电桥第一输出端和电桥第二输出端，所述电桥第一输入端连接第一光电二极管输出端接收第一微波信号，所述电桥第二输入端连接微波移相器接收经过移相后的第二微波信号；90°微波电桥将第一微波信号和移相后的第二微波信号混合，产生的第一电桥信号由电桥第一输出端输出，同时产生的第二电桥信号由电桥第二输出端输出；所述归一化平衡检测模块与电桥第一输出端和第二输出端连接，接收第一电桥信号和第二电桥信号，在归一化平衡检测模块中将第一电桥信号和第二电桥信号进行运算，从而产生和输出误差信号；所述控制模块连接归一化平衡检测模块，接收误差信号后产生电压控制信号，并将电压控制信号发送到第二激光器，用以调整第二路激光的频率，同时将控制电压发送到微波移相器来调整相移大小。...

【技术特征摘要】
1.一种用于锁定激光差频的光学微波鉴频器，其特征在于：包括光纤耦合器、光电二极管模块、微波移相器、90°微波电桥、归一化平衡检测模块和控制模块；所述光纤耦合器接收并混合来自第一激光器发出的第一束激光和来自第二激光器发出的第二束激光，并由此产生相应的第一光信号和第二光信号，两个光信号是独立的，所述第一光信号通过光纤耦合器第一输出端输出，所述第二光信号通过光纤耦合器第二输出端输出；所述光电二极管模块包括第一光电二极管和第二光电二极管，所述第一光电二极管与光纤耦合器第一输出端连接，接收第一光信号，并将第一光信号转换成第一微波信号，并通过第一光电二极管输出端输出；第二光电二极管与光纤耦合器第二输出端连接，接收第二光信号，并将第二光信号转换成第二微波信号，并通过第二光电二极管输出端输出；所述微波移相器和光电二极管第二输出端连接，用来接收第二微波信号，并使其产生相移，然后将经过移相后的微波信号输出；所述90°微波电桥包括电桥第一输入端、电桥第二输入端、电桥第一输出端和电桥第二输出端，所述电桥第一输入端连接第一光电二极管输出端接收第一微波信号，所述电桥第二输入端连接微波移相器接收经过移相后的第二微波信号；90°微波电桥将第一微波信号和移相后的第二微波信号混合，产生的第一电桥信号由电桥第一输出端输出，同时产生的第二电桥信号由电桥第二输出端输出；所述归一化平衡检测模块与电桥第一输出端和第二输出端连接，接收第一电桥信号和第二电桥信号，在归一化平衡检测模块中将第一电桥信号和第二电桥信号进行运算，从而产生和输出误差信号；所述控制模块连接归一化平衡检测模块，接收误差信号后产生电压控制信号，并将电压控制信号发送到第二激光器，用以调整第二路激光的频率，同时将控制电压发送到微波移相器来调整相移大小。2.根据权利要求1所述的一种用于锁定激光差频的光学微波鉴频器，其特征在于：所述光电二极管模块转换输出的第一微波信号的频率和第二微波信号的频率相同，等于第一激光器和第二光器之间的差频。3.根据权利要求1或2所述的一种用于锁定激光差频的光学微波鉴频器，其特征在于：所述第一电桥信号和第二桥信号之间的相位差由以下公式得到：Φ(V):=2·π·OPDc·fB+θ(V)]]>其中θ(V)是微波移相器所产生的相移；OPD是第一光信号和第二光信号之间的光程差；fB是第一激光器和第二光器之间的差频；c是光纤中的光速。4.根据权利要求3所述的一种用于锁定激光差频的光学微波鉴频器，其特征在于：所述归一化平衡检测模块产生的误差信号由以下公式得到：U(V,fB):=cos[(2·π·OPDc·fB)+θ(V)]]]>其中θ(V)是微波移相器所产生的相移；OPD是第一光信号和第二光信号之间的光程差；fB是第一激光器和第二光器之间的差频；c是光纤中的光速。5.根据权利要求4所述的一种用于锁定激光差频的光学微波鉴频器，其特征在于：所述归一化平衡检测模块包括第一微波二极管、第二微波二极管和处理器，所述第一微波二极管连接电桥第一输出端，接收第一电桥信号并产生C1信号；第二微波二极管连接电桥第二输出端，接收第二电桥信号并产生C2信号；处理器分别与第一微波二极管和第二微波二极管连接，并将C1和C...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍树东，王文博，
申请(专利权)人：淄博齐瑞德光电技术有限公司，北京齐瑞德光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37