一种基于光锁相环的微波谐波产生装置制造方法
【专利摘要】该发明属于光电子【技术领域】中的微波谐波产生装置，包括激光源发生器及激光耦合镜，由可调谐多纵模固体激光器、光纤耦合镜、光纤密集波分复用器输入端及其两相邻输出光纤、光纤合束器、光电转换器、带微波信号输入端口的微波混频器、低频放大器、环路滤波器串联而成的光锁相环，以及由光纤密集波分复用器输出光纤中其余任意两输出光纤与光纤合束器、光电转换器串联而成的微波信号的二倍频或多倍频谐波输出端口。该发明具有电路结构先进，在降低光、电子元器件的要求和成本的同时，扩大了处理输入的微波信号的功率范围，采用同一驱动电压即可实现不同阶次倍频的谐波，有效提高了弱微波信号的处理能力和效果，以及可产生倍频及多倍频谐波等特点。
【专利说明】—种基于光锁相环的微波谐波产生装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及光电子【技术领域】中的微波谐波产生装置，具体涉及一种基于光锁相环的微波谐波产生装置。
【背景技术】
[0002]微波作为宽带信息传输的载体，在空间通信中具有广阔的应用前景。微波谐波意味着更高频率的微波甚至毫米波、THz波，以其为载频在通信中可获得更大的信息容量。但传统微波谐波采用微波电子学的方法实现，主要包括基波混频和谐波混频等方法。随着微波频率的提高，尤其是对高于25GHz的微波，以微波电子学方法获取谐波的难度和成本不断提闻。
[0003]近年来，研究者提出用激光强度调制的方法来产生微波/毫米波谐波，具体原理如下:将微波/毫米波信号调制到光载波上，得到频率间隔为多倍输入信号频率的光微波/光毫米波，然后经过光电转换，光微波/光毫米波的边带相互拍频，得到输入微波/毫米波信号的谐波信号。该方案存在驱动电压高(要求输入信号功率高)的问题，且通常仅能用于产生偶倍频谐波。中国发明专利《基于单驱动马赫曾德调制器的多倍频毫米波产生装置》(申请号:201310211180.3)公开了一种基于单驱动马赫曾德(电光)调制器的多倍频毫米波产生装置，该装置包括(单纵模)激光器、偏振控制器、单驱动马赫曾德调制器、射频信号源、射频信号放大器、稳压电源和光电探测器(光电转换器)。通过将射频信号输送至单驱动马赫曾德调制器的驱动端，改变其驱动电压，并调节调制器的偏置电压，获得目标激光边频，再将该边频进行光电转换，即得到多倍频毫米波，并给出了实现偶数倍频毫米波的实施例。该方法虽可产生偶数倍频毫米波，但所需驱动(输入)电压较高(输入毫米波信号功率高)，尤其是对于25GHz以上的输入信号，所需驱动(输入)电压一般在4V以上且同一阶次倍频需要一个确定的驱动电压，亦即不同阶次倍频要求不同的固定(恒定)的驱动电压；当输入毫米波信号很弱(驱动电压极低)时，则需要预先进行多级放大，不但成本高、实施难度大，而且将恶化输入信号的信噪比，因而，该多倍频毫米波(谐波)产生装置也不适用于对弱毫米波信号的处理。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对【背景技术】存在的缺陷，研究设计一种基于光锁相环的微波谐波产生装置，以改变电路结构，在减少微波电路，降低光、电子元器件的要求及成本的同时，扩大处理输入的微波信号的功率(强弱)范围，采用同一驱动电压即可实现不同阶次倍频的谐波，有效提高弱微米波信号的处理能力和效果，以及可产生倍频及多倍频谐波等目的。
[0005]本发明的解决方案是针对【背景技术】不同阶次倍频要求不同的固定的高驱动电压(高输入信号功率)，而带来的成本高、实施难度大等弊病，本发明采用包括可调谐多纵模固体激光器、光纤耦合镜、光纤密集波分复用器、光纤合束器、光电探测器、微波混频器、低频放大器、环路滤波器、串联而成的光锁相环，将两个相邻激光纵模的拍频信号与输入的微波信号进行相位锁定；本发明通过不同纵模的拍频信号与输入的微波信号得到相应的谐波，既可产生偶数倍频谐波还可产生奇数倍频谐波；从而不但降低了对输入信号功率和对光、电子元件的的要求，而且有效降低了实施的难度和成本。本发明即:将多纵模固体激光器输出的各不同频率的纵模光束经光纤耦合镜及光纤密集波分复用器分别将不同频率的纵模光束导引到光纤密集波分复用器对应的输出光纤中，然后通过光锁相环将任意两个相邻输出光纤中的激光纵模光束的拍频信号与输入的微波信号进行相位锁定；由于激光器输出的相邻纵模光束的频率间隔(差)相等，则将任意两个间隔(纵模阶次差)等于或大于2的光纤输出的纵模光束进行拍频和光电转换处理，即可得到输入微波信号的二倍频及多倍频谐波；本发明即以此实现其发明目的。因而本发明基于光锁相环的微波谐波产生装置，其特征在于该微波谐波产生装置包括激光源发生器及激光耦合镜，由可调谐多纵模固体激光器、光纤稱合镜、光纤密集波分复用器输入端及其两相邻输出光纤、光纤合束器、光电转换器、带微波信号输入端口的微波混频器、低频放大器、环路滤波器串联而成的光锁相环，以及由光纤密集波分复用器输出光纤中其余任意两输出光纤与光纤合束器、光电转换器串联而成的(输入)微波信号的二倍频或多倍频谐波输出端口 ；工作时激光发生器发出的激光经激光耦合镜输入可调谐多纵模固体激光器、而微波信号则由微波混频器的微波信号输入端口输入。
[0006]上述激光源发生器为半导体泵浦激光器激光器。而所述可调谐多纵模固体激光器为由前、后腔镜构成的谐振腔，置于谐振腔内的激光工作物质，紧贴于激光工作物质上的压电陶瓷及其压电驱动器，以及半导体致冷片组成的可调谐短腔多纵模固体激光器。而所述激光工作物质的前端面为倾斜面、而前腔镜2-2则为相应的倾斜体；激光工作物质前端面与半导体制冷片上表面(冷端平面)的倾角Q1Sscr?65°、而前腔镜2-2与半导体制冷片上表面(冷端平面)的倾角02为50°?80°。
[0007]本发明微波谐波产生装置由于所采用的电路主要是低频电路，电路中所用到的光、电元件均为常规、商用的元器件，因此与微波电子学方法相比，所用到的微波电路更少，装置的综合成本低；低频放大器和压电驱动器的输入信号为低频信号(kHz量级)，无论是高增益还是低增益放大均比较容易实现；因此，对输入的待处理微波信号功率(强弱)要求低、范围宽(_50dBm?22dBm)，采用同一驱动电压即可实现不同阶次倍频的谐波；当对低功率输入信号进行处理时，通过对低频放大器和压电驱动器的增益以及环路滤波器参数的调整、即可保持谐波产生装置的正常稳定工作；本发明不但可产生偶数倍频谐波、还可用于产生奇数倍频谐波。因而具有电路结构先进，在降低光、电子元器件的要求和成本的同时，扩大了处理输入的微波信号的功率(强弱)范围，采用同一驱动电压即可实现不同阶次倍频的谐波，有效提高了弱微波信号的处理能力和效果，以及可产生倍频及多倍频谐波等特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为本发明装置及实施例1结构示意图；
[0009]图2为本发明装置实施例2结构示意图；
[0010]图中:1-1.泵浦激光发生器，1-2.激光耦合镜，2.可调谐多纵模固体激光器，2-1.后腔镜，2-2.前腔镜，2-3.激光谐振腔，2-4.激光工作物质，2-5.压电陶瓷，2-6.压电驱动器,2-7.半导体致冷片,3.光纤稱合镜,4.光纤密集波分复用器,4-1.输入光纤,4-2.1、4-2.2,4-2.3,...、4-2.Μ、...、4_2.L、...、4-2.N:(第 1、2、3、...、M、…L、...、N根)输出光纤,5-1.光纤合束器,5-2.光纤分束器,6.光电转换器(光电探测器)，7.微波混频器，8.低频放大器，9.环路滤波器,10.输入微波信号，11.微波的(L-M)倍频谐波(输出)，
12.微波二倍频谐波(输出)，Q1.激光工作物质输出面倾角，θ2.前腔镜倾角。
【具体实施方式】
[0011]本实施方式中:泵浦激光发生器1-1:型号FL-FCSE01-3-976-105-0.15，波长976nm,功率3W的半导体泵浦激光器,西安炬光科技有限公司制造；
[0012]激光耦合镜1-2:型号GCL-010201，焦距19mm，大恒新纪元科技股份有限公司制造；
[0013]后腔镜2-1:对976nm激光透过率大于80%、对C波段激光反射率大于98%;前腔镜2-2:对C波段激光透过率为10%、对C波段激光反射率为90%，大恒新纪元科技股份有限公司生产；
[0014]激光工作物质2-4 =LGS-X掺Er磷酸盐玻璃，折射率1.53，荧光半宽度29.9nm，通光方向长度2mm,成都东骏激光股份有限公司生产；
[0015]压电陶瓷2-5:型号P-5H,厚度0.5mm,保定市宏声声学电子器材有限公司；
[0016]压电驱动器2-6:型号HFVA-41，输出电压400V，南京佛能科技实业有限公司。
[0017]半导体制冷片2-7:型号TEC1-03115T125，蔚县中天电子股份合作公司；
[0018]光纤耦合镜3:型号352220，焦距11mm，莱特巴斯光学仪器(上海)有限公司；
[0019]光纤密集波分复用器4:型号mics-16/25/G/PMF/0.4，相邻信道频率差(间隔)25GHz，北京锦坤科技有限公司；
[0020]光纤合束器5-1和光纤分束器5-2:型号PMFC-55-2-50-F-2222-LLLL-P-0.5，光越科技(深圳)有限公司；
[0021]光电转换器6:本实施方式米用杭州华泰光纤技术有限公司生产的，型号为MR30-100A-S-K/DC，带宽 10GHz 的光电探测器，；
[0022]微波混频器7:型号NC1718C-1850，频段18_50GHz，中电集团第十三研究所；
[0023]低频放大器8:型号AD829，增益带宽积600MHz，美国Analog Devices公司生产；
[0024]环路滤波器9:型号IFC-50B，1MHz带宽，美国Thorlabs公司。
[0025]实施方式中的:
[0026]实施例1:后腔镜2-1和前腔镜2-2构成激光谐振腔2_3，激光工作物质2_4置于谐振腔2-3内；压电陶瓷片2-5则粘结固定于掺Er磷酸盐玻璃(激光工作物质)2-4的顶面上；后腔镜2-1、激光工作物质2-4和前腔镜2-2放置在半导体制冷片2-7的上表面，各端面平行且均与半导体制冷片2-7的上表面(冷端平面)垂直，本实施例可调谐多纵模固体激光器2中后腔镜2-1与前腔镜2-2厚均为1.0mm、高2.0mm两内壁之间的距离4.94mm,掺Er磷酸盐玻璃(激光工作物质)2-4顺前、后腔镜方向长3.0mm,高、宽均为2.0mm ;泵浦激光发生器1-1发出的激光经耦合镜1-2会聚后，透过后腔镜2-1进入激光工作物质2-4内，经激光谐振腔2-3内形成多纵模光束，再经前腔镜2-2入射到光纤耦合镜3被会聚耦合后经输入光纤4-1进入光纤密集波分复用器4后，激光中相应的纵模光束分别经第I和第2输出光纤4-2.1、4-2.2分别进入光纤合束器5-1的两个输入端,再经光纤合束器5_1的输出端进入光电转换器(光电探测器)6、微波混频器7，与此同时微波信号10由微波混频器7的另一个输入端口输入，经微波混频器7处理后的输出信号通过低频放大器8,再输入环路滤波器9，环路滤波器9的输出信号经可调谐多纵模固体激光器的压电驱动器2-6进入可调谐多纵模固体激光器2 ;本实施例采用光纤密集波分复用器4的第3根与第6根(即附图1中的M= 3、L = 6)输出光纤与另一光纤合束器5-1、光电转换器(光电探测器)6串联组成3倍频谐波信号输出端口。
[0027]本实施例:当泵浦激光发生器1-1输出的激光的功率足够高时，在激光工作物质
2-4内产生足够高的增益，从而在激光谐振腔内形成多纵模振荡，泵浦光功率越高，纵模个数越多；多纵模输出激光经光纤耦合镜3经输入光纤4-1、进入光纤密集波分复用器4将各激光纵模分配到各输出光纤4-2.1,4-2.2,4-2.3,4-2.6，当取纵模个数为6 ;遵照光纤密集波分复用器的输出信道间隔应与输出激光的纵模间隔匹配的原则，即信道之间的频率间隔应约等于纵模之间的频率间隔，以减少不同信道之间的串扰。如:输入微波信号10的频率为25GHz，则信道间隔和纵模间隔均可取为25GHz ;激光器产生的6个纵模可分别进入各输出光纤(4-2.1到4-2.6)。输出光纤4-2.1和4-2.2中的激光频率间隔为25GHz，通过光纤合束器5-1合束后输入光电探测器6,转换成25GHz的电信号输入微波混频器7,与输入微波信号10混频后，产生相位误差信号；相位误差信号经低频放大器8放大后输入环路滤波器9产生激光频率控制信号，控制信号经压电驱动器2-6放大后输入压电陶瓷，形成闭合控制环路，实现输入微波信号10与两个相邻纵模拍频信号的相位锁定；由于激光谐振腔两个相邻纵模的频率间隔相等，则从第3和第6输出光纤(4-2.3,4-2.6)分别输出的第3和第6纵模，经光纤合束器5-1合束并经光电转换器(光电探测器)6，输出两纵模的拍频信号，即输出微波信号10的3倍频谐波信号。
[0028]当输入的微波信号10较弱时，则可通过调节低频放大器8和压电驱动器2-6的增益、以及环路滤波器9的参数，将锁相环的阻尼系数调整在0.2?I范围内，即可保持整个谐波产生装置的正常稳定工作。因微波混频器7输出的相位误差信号为低频信号(kHz量级)，对其进行放大较容易实现；如:当输入微波信号10的功率为-50dBm(对应输入电压ImV)时，则将低频放大器8和压电驱动器2-6的增益均调为40dB左右即可；而当输入微波信号10的功率为22dBm(对应输入电压4V)时，则将低频放大器8和压电驱动器2_6的增益均调为4dB左右即可。
[0029]实施例2:图2为本发明提供的基于光锁相环的微波谐波产生装置的结构示意图，本实施例将掺Er磷酸盐玻璃(激光工作物质)2-4的前端面设为倾斜面、前腔镜2-2则设为倾斜体，前者与半导体制冷片2-7的上表面(冷端平面)的倾角Θ i本实施例为57°、后者(前腔镜2-2)与半导体制冷片2-7的上表面(冷端平面)的倾角Θ 2本实施例为66°。利用掺Er磷酸盐玻璃(激光工作物质)2-4的输出面倾斜后的透光特性，可使水平偏振光透过率大于垂直偏振光，使得水平偏振光的谐振损耗小于垂直偏振光，则水平偏振光优先起振，垂直偏振光被抑制，获得水平线偏振激光输出，从而改善激光的相干性，减弱了垂直偏振对激光输出的干扰，最终使微波谐波信号的幅度更稳定。
【权利要求】
1.一种基于光锁相环的微波谐波产生装置，其特征在于该微波谐波产生装置包括激光源发生器及激光耦合镜，由可调谐多纵模固体激光器、光纤耦合镜、光纤密集波分复用器输入端及其两相邻输出光纤、光纤合束器、光电转换器、带微波信号输入端口的微波混频器、低频放大器、环路滤波器串联而成的光锁相环，以及由光纤密集波分复用器输出光纤中其余任意两输出光纤与光纤合束器、光电转换器串联而成的微波信号的二倍频或多倍频谐波输出端口 ；工作时激光发生器发出的激光经激光I禹合镜输入可调谐多纵模固体激光器、而微波信号则由微波混频器的微波信号输入端口输入。
2.按权利要求1所述基于光锁相环的微波谐波产生装置，其特征在于所述激光源发生器为半导体泵浦激光器激光器。
3.按权利要求1所述基于光锁相环的微波谐波产生装置，其特征在于所述可调谐多纵模固体激光器为由前、后腔镜构成的谐振腔，置于谐振腔内的激光工作物质，紧贴于激光工作物质上的压电陶瓷及其压电驱动器，以及半导体致冷片组成的可调谐短腔多纵模固体激光器。
4.按权利要求1或3所述基于光锁相环的微波谐波产生装置，其特征在于所述激光工作物质的前端面为倾斜面、而前腔镜则为相应的倾斜体；激光工作物质前端面与半导体制冷片上表面的倾角Q1Sscr?65°、而前腔镜与半导体制冷片上表面的倾角02为50。?80°。
【文档编号】H01S1/02GK104300343SQ201410588925
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月28日 优先权日:2014年10月28日
【发明者】王云祥, 邱琪, 史双瑾, 苏君, 廖云, 熊彩东 申请人:电子科技大学