一種平衡光學微波再生系統的製作方法

2023-06-12 00:30:06

一種平衡光學微波再生系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種平衡光學微波再生系統，包括依次連接至一提供雷射脈衝信號的外圍信號源的一鑑相模塊和一射頻處理模塊，所述鑑相模塊包括依次連接的一光隔離器、一薩格奈克光纖環和一平衡探測器，所述薩格奈克光纖環包括一3×3光纖耦合器和一相位調製器，所述3×3光纖耦合器的第一輸入端與所述光隔離器連接，第二輸入端與所述平衡探測器的第一光輸入埠連接，第三輸入端與所述平衡探測器的第二光輸入埠連接，第二輸出端與所述相位調製器的第一光接口連接，第三輸出端與所述相位調製器的第二光接口連接。本發明結構簡單、噪聲低、穩定性高、抖動精度高、成本低且操作方便。
【專利說明】一種平衡光學微波再生系統

【技術領域】
[0001 ] 本發明屬於微波光子學【技術領域】，尤其涉及了一種平衡光學微波再生系統。

【背景技術】
[0002]同步系統通過鎖定自由電子雷射裝置各個環節與參考信號的相位，保證束流動力學品質和雷射束、電子束到達時間的穩定性，以滿足自由電子雷射產生的物理要求，是保證自由電子雷射裝置束流品質和實驗成敗的關鍵部分之一。因此，對於規模為數百米甚至數千米的自由電子雷射裝置來說，雷射與微波高精度和高穩定度的同步尤為重要。
[0003]雷射與微波的同步一般是通過從雷射脈衝信號中提取微波信號來實現的。目前，常用的雷射與微波同步方法有直接同步法、射頻鑑相法以及平衡光學微波鑑相法這三種。
[0004]直接同步法利用光電探測器將雷射脈衝信號轉換成電信號，然後直接用濾波器獲取雷射脈衝信號的高次諧波頻率，以產生微波頻率。然而受限於光電探測器的帶寬以及幅相轉換和非線性效應，會造成高次諧波頻率的不穩定性，這種方法僅能應用在要求不是很嚴格的場合。
[0005]射頻鎖相法使用鎖相環技術，利用鑑相之後的相差電平通過反饋迴路去控制壓電振蕩器，使得壓電振蕩器的輸出與主振蕩器雷射脈衝信號頻率鎖相。射頻鑑相法由於其穩頻迴路中光電探測器和微波混頻器會引入較大的噪聲，雖然相比直接同步法，其同步精度會高很多，但是其同步精度只能達到200飛秒左右。
[0006]平衡光學微波鑑相法採用薩格奈光纖環和同步探測方法在光域裡進行精確的相位檢測，能克服直接同步法和射頻鑑相法由光電探測器引起的幅度-相位噪聲，從而減小輸出微波信號的時間抖動性，其同步精度可以達到幾飛秒量級。然而，現有平衡微波鑑相法米用基於2X2光纖稱合器的鎖相環技術，由於2X2光纖稱合器在薩格奈光纖環中輸入路徑和輸出路徑一樣，存在固有的非互易性，且這種鎖相環需要使用相移η/2的偏置光路，因此結構複雜，且會弓I入額外的噪聲。


【發明內容】

[0007]針對現有平衡光學微波鑑相方法的不足，本發明的目的在於提供一種緊湊型的、超穩定度的、超高精度的平衡光學微波再生系統。
[0008]為實現上述目的，本發明採用如下技術方案:
[0009]一種平衡光學微波再生系統，包括依次連接至一提供雷射脈衝信號的外圍信號源的一鑑相模塊和一射頻處理模塊，其中:
[0010]所述鑑相模塊包括依次連接的一光隔離器、一薩格奈克光纖環和一平衡探測器，所述薩格奈克光纖環包括一 3X3光纖稱合器和一相位調製器,其中，
[0011]所述3X3光纖耦合器的第一輸入端與所述光隔離器連接，以使所述雷射脈衝信號經過所述光隔離器進入所述3X3光纖耦合器，並在所述3X3光纖耦合器中分成三路脈衝出射雷射束；
[0012]所述3X3光纖耦合器的第二輸出端與所述相位調製器的第一光接口連接，其第三輸出端與所述相位調製器的第二光接口連接，以使其中兩路所述脈衝出射雷射束分別自所述3X3光纖耦合器的所述第二輸出端和所述第三輸出端進入所述相位調製器後，再自所述相位調製器分別傳輸至所述3X3光纖耦合器的所述第三輸出端和所述第二輸出端，並在所述3 X 3光纖耦合器中發生幹涉以形成幹涉光；
[0013]所述3X3光纖耦合器的第二輸入端與所述平衡探測器的第一輸入口連接，其第三輸入端與所述平衡探測器的第二輸入口連接，以使所述幹涉光分別通過所述3X3光纖耦合器的第二輸入端和第三輸入端進入所述平衡探測器，並經所述平衡探測器光電轉換成一射頻信號後輸出至所述射頻處理模塊，以通過所述射頻處理模塊產生一高頻微波信號。
[0014]優選地，所述射頻處理模塊包括依次連接至所述平衡探測器的一信號處理電路、一高頻振蕩器和一放大電路，所述放大電路輸出所述高頻微波信號並反饋連接至所述相位調製器的射頻輸入接口。
[0015]進一步地，所述鑑相模塊還包括一連接在所述光隔離器和所述3X3光纖耦合器的第一輸入端之間的光纖環形器。
[0016]進一步地，所述3X3光纖耦合器的所述第二輸入端通過一光纖適配器連接至所述平衡探測器的第一光輸入埠，所述第三輸入端通過另一光纖適配器連接至所述平衡探測器的第二光輸入埠。
[0017]優選地，所述高頻振蕩器為壓控振蕩器或介質振蕩器。
[0018]優選地，所述信號處理電路為二階有源濾波電路或者由反相加法電路、反相比例電路和二階無源濾波電路組成的電路。
[0019]綜上所述，本發明採用了基於3X3光纖耦合器和平衡探測器的平衡光學微波再生系統，由於3X3光纖f禹合器在薩格奈光纖環中輸入路徑和輸出路徑不一樣,不存在固有的非互易性，因此其輸出噪聲更小，從而引起的抖動更小；另外，由於3X3光纖耦合器在零相位時第二、第三輸出端輸出的結果相同，且這兩個埠的輸出斜率是相反的，因此不需要在薩格奈克光纖環中使用η /2的偏置光路，即3X3光纖耦合器輸出的高頻微波信號可直接作為相位調製器的射頻反饋輸入，簡化了系統的複雜性；同時，由於本發明還使用了平衡探測器，因此不需要額外使用兩個光電探測器和混頻器來實現兩路光信號的相減，結構上少了很多部件，降低了整個系統的體積和重量，而且還降低了由光電探測器、混頻器幅相轉換引入的噪聲以及偏置電路引入的噪聲，提高了系統的抖動精度；結構簡單，操作方便，進一步提高了系統的穩定性，為在自由電子雷射裝置中的推廣應用提供了一種有效手段。由此可見，本發明與現有技術相比具有以下有益效果:
[0020]I)結構簡單、噪聲低、抖動精度高、穩定性高、成本低且操作方便；
[0021]2)體積小、重量輕、在大規模自由電子雷射裝置中使用時便攜性好；
[0022]3)不僅能用於雷射與微波的同步系統中，還能夠提取出高精度的高頻微波信號用於其他射頻系統中。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發明的平衡光學微波再生系統的結構框圖；
[0024]圖2是本發明的鑑相模塊的結構框圖，其中示出了雷射脈衝信號的傳播方向；以及
[0025]圖3是本發明的平衡光學微波再生系統的結構示意圖。
[0026]其中:I雷射脈衝信號、2光隔離器、3光纖環形器、43 X 3光纖稱合器、5相位調製器、6薩格奈克光纖環、7平衡探測器、8信號處理電路、9高頻振蕩器、10放大電路、11高頻微波信號。

【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖，給出本發明的較佳實施例，並予以詳細描述。
[0028]如圖1-3所示，本發明的平衡光學微波再生系統包括依次光連接至一提供雷射脈衝信號的外圍信號源(未示出)的一鑑相模塊和一射頻處理模塊。其中，外圍信號源在此採用波長為1550nm、頻率為238MHz的鎖模光纖雷射器。
[0029]下面分別對鑑相模塊和射頻處理模塊作詳細說明:
[0030]鑑相模塊包括沿雷射脈衝信號I的傳播方向依次光連接的一光隔離器2、一光纖環形器3、一薩格奈克光纖環6和一平衡探測器7,其中,薩格奈克光纖環6由一 3X3光纖耦合器4和一相位調製器5組成。
[0031]具體如圖2所示，光隔離器2是有方向的，雷射脈衝信號I只能沿著光隔離器2中的箭頭所指的方向傳播，不可以逆傳。此處的光纖環形器3是一個三埠的光纖環形器，雷射脈衝信號在其中的傳播方向也是單向的，即，雷射脈衝信號只能從其第一埠進入、第二埠輸出，或從第二埠進入、第三埠輸出，如果3X3光纖I禹合器4的第一輸出端後面傾斜放置一個反射鏡(未不出)，則自其第一輸出端輸出的脈衝出射雷射束將通過該第一輸出端返回到光纖環形器3的第二埠，然後從光纖環形器3的第三埠輸出，從而可以在該第三埠監測到3X3光纖耦合器4的輸入能量變化。當然，除了圖2中所示的三埠的光纖環形器3外，本發明也可採用四埠、五埠的光纖環形器實現。此外，本領域技術人員應該理解，3X3光纖稱合器4具有三個輸入端和三個輸出端,雷射脈衝信號在3X3光纖率禹合器4裡面可以雙向傳輸，即，雷射脈衝信號可以從三個輸入端進入、從三個輸出端輸出，也可以從三個輸出端進入、從三個輸入端輸出。當雷射脈衝信號I從3X3光纖f禹合器4的任何一個輸入端進入時，將在其中分成三路脈衝出射雷射束分別從其三個輸出端輸出。相位調製器5在此具有兩個光接口和一個射頻輸入接口。
[0032]再次參閱圖2，鑑相模塊的各組成元件之間的連接關係如下:光纖環形器3的第一埠與光隔離器2的輸出端連接,第二埠與3X3光纖稱合器4的第一輸入端連接,第三埠留作測試備用。3 X 3光纖耦合器4的第一輸入端連接至光纖環形器3的第二埠，第二輸入端連接至平衡探測器7的第一光輸入埠，第三輸入端連接至平衡探測器7的第二光輸入埠，第一輸出端未使用，第二輸出端連接至相位調製器5的第一光接口，第三輸出端連接至相位調製器5的第二光接口，以使3 X 3光纖耦合器4的第二輸出端輸出的脈衝出射雷射束經過相位調製器5後傳輸至其第三輸出端,3X3光纖I禹合器4的第三輸入端輸出的脈衝出射雷射束經過相位調製器5後傳輸至其第二輸出端，即，從3X3光纖耦合器4的第二、第三輸出端輸出的脈衝出射雷射束分別沿順時針和逆時針方向在薩格奈克光纖環6中傳輸(如圖2中箭頭所示)，然後返回3X3光纖耦合器4的第三、第二輸出端；返回至3 X 3光纖耦合器4的兩路脈衝出射雷射束在3 X 3光纖耦合器4中發生幹涉，幹涉光再分別從3 X 3光纖耦合器4的第二、第三輸入端進入平衡探測器7的兩個光輸入埠，經平衡探測器7進行光電轉換成射頻信號直接從平衡探測器7的射頻輸出埠輸出。
[0033]需要說明的是，3X3光纖耦合器4除了按照圖1所示與平衡探測器7為自由空間光連接以外，也可以通過光纖適配器(未示出)進行光連接。
[0034]返回參閱圖1，射頻處理模塊包括依次電連接至平衡探測器7的射頻輸出埠的一信號處理電路8、一高頻振蕩器9和一放大電路10,放大電路10輸出一高頻微波信號11並反饋連接至相位調製器5的射頻輸入接口。其中，高頻振蕩器9可以採用壓控振蕩器或介質振蕩器，在本實施例中優選採用的是壓控振蕩器，其中心頻率與高頻微波信號11的頻率一致，均為雷射脈衝信號I的整數倍，即238XN(N為整數)MHz，其中N—般為12，也可以取N為24、48等。在本實施例中，N取12，高頻微波信號頻率即為2856MHz。
[0035]優選地，信號處理電路8可以採用現有的二階有源濾波電路或者由反相加法電路、反相比例電路和二階無源濾波電路組成的電路，當然也可以採用已知的其它形式的電路。
[0036]本發明的平衡光學微波再生系統的具體工作原理如下:
[0037]首先，外圍信號源鎖模光纖雷射器發射出的波長為1550nm、頻率為238MHz的雷射脈衝信號I依次經過光隔離器2、光纖環形器3後沿著光傳播方向傳輸,並由3X3光纖f禹合器4的第一輸入端進入3X3光纖耦合器4。其中，光隔離器2在此主要起到使雷射脈衝信號I只能沿一個方向(即箭頭所指的方向)傳播的作用，以防止其反射回雷射器對雷射器造成損壞。而在此設置光纖環形器3是為了方便測量從3X3光纖耦合器4的第一輸入端返回至光環形器3的第三埠的光能量，是為了留一個備用測試埠。
[0038]然後，雷射脈衝信號I分別從其第二、第三輸出端按光能量等比分配輸出，經過相位調製器5後再分別返回至3X3光纖耦合器4的第三、第二輸出端；返回至3X3光纖耦合器4的兩路雷射脈衝信號在3X3光纖耦合器4中發生幹涉，幹涉光再分別從3X3光纖耦合器4的第二、第三輸入端進入平衡探測器7的兩個光輸入埠。本領域技術人員應該理解，如果從3 X 3光纖耦合器4的第二輸入端和第三輸入端輸出的兩路幹涉光能量不一致時，則需要在能量較大的一路接入一可調光衰減器(未示出)，以確保兩路幹涉光的能量一致；如果從3X3光纖耦合器的第二輸入端和第三輸入端輸出的兩路幹涉光的能量一致時，則不需要接入可調光衰減器。
[0039]平衡探測器7接收到兩路幹涉光後進行光電轉換，轉換成射頻信號後直接從平衡探測器7的射頻輸出埠輸出。該射頻信號即為從3X3光纖耦合器4的第二、第三輸入端輸出的兩路幹涉光相減的相差信號。
[0040]該相差信號經信號處理電路8濾掉高頻分量後輸出一直流信號，該直流信號作為高頻振蕩器9的控制電壓。高頻振蕩器9輸出的信號頻率將隨著控制電壓的變化而變化，即，相差信號的微小變化會改變高頻振蕩器9的輸出信號頻率，具體地說，當兩路幹涉光強度、相位完全一樣時，相差信號為輸出為OV的直流，此時高頻振蕩器9產生2856MHz的高頻微波信號；當相差信號為大於OV的直流時，高頻振蕩器9產生頻率大於2856MHz的高頻微波信號；當相差信號為小於OV的直流時，高頻振蕩器9產生頻率小於2856MHz的高頻微波信號。由於從高頻振蕩器9輸出的高頻微波信號能量一般較小，且裡面還帶有238MHz的高次諧波，因此還需要通過放大電路10濾波放大後變成高精度的高頻微波信號11。高頻微波信號11分成兩路，一路直接輸出供給自由電子雷射裝置或其他射頻系統使用，另一路作為鎖相環的反饋信號用於相位調製器5的射頻輸入。當鎖相環環路鎖定後，即使有由於雷射脈衝引入的強度噪聲，平衡探測器7引入的幅度-相位噪聲等造成兩路光信號的相位偏差，本發明都可以輸出超穩定、超聞精度的聞頻微波/[目號11。
[0041]以上所述的，僅為本發明的較佳實施例，並非用以限定本發明的範圍，本發明的上述實施例還可以做出各種變化，例如放大電路可以使用市場上現有商品也可以自己設計。即凡是依據本發明申請的權利要求書及說明書內容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落入本發明的權利要求保護範圍。
【權利要求】
1.一種平衡光學微波再生系統，包括依次連接至一提供雷射脈衝信號的外圍信號源的一鑑相模塊和一射頻處理模塊，其特徵在於， 所述鑑相模塊包括依次連接的一光隔離器、一薩格奈克光纖環和一平衡探測器，所述薩格奈克光纖環包括一 3X3光纖稱合器和一相位調製器,其中， 所述3X3光纖耦合器的第一輸入端與所述光隔離器連接，以使所述雷射脈衝信號經過所述光隔離器進入所述3X3光纖耦合器，並在所述3X3光纖耦合器中分成三路脈衝出射雷射束； 所述3X3光纖耦合器的第二輸出端與所述相位調製器的第一光接口連接，其第三輸出端與所述相位調製器的第二光接口連接，以使其中兩路所述脈衝出射雷射束分別自所述3X3光纖耦合器的所述第二輸出端和所述第三輸出端進入所述相位調製器後，再自所述相位調製器分別傳輸至所述3X3光纖耦合器的所述第三輸出端和所述第二輸出端，並在所述3X3光纖耦合器中發生幹涉以形成幹涉光； 所述3X3光纖耦合器的第二輸入端與所述平衡探測器的第一輸入口連接，其第三輸入端與所述平衡探測器的第二輸入口連接，以使所述幹涉光分別通過所述3X3光纖耦合器的第二輸入端和第三輸入端進入所述平衡探測器，並經所述平衡探測器光電轉換成一射頻信號後輸出至所述射頻處理模塊，以通過所述射頻處理模塊產生一高頻微波信號。
2.根據權利要求1所述的平衡光學微波再生系統，其特徵在於，所述射頻處理模塊包括依次連接至所述平衡探測器的一信號處理電路、一高頻振蕩器和一放大電路，所述放大電路輸出所述高頻微波信號並反饋連接至所述相位調製器的射頻輸入接口。
3.根據權利要求1或2所述的平衡光學微波再生系統，其特徵在於，所述鑑相模塊還包括一連接在所述光隔離器和所述3X3光纖耦合器的第一輸入端之間的光纖環形器。
4.根據權利要求1或2所述的平衡光學微波再生系統，其特徵在於，所述3X3光纖耦合器的所述第二輸入端通過一光纖適配器連接至所述平衡探測器的第一光輸入埠，所述第三輸入端通過另一光纖適配器連接至所述平衡探測器的第二光輸入埠。
5.根據權利要求2所述的平衡光學微波再生系統，其特徵在於，所述高頻振蕩器為壓控振蕩器或介質振蕩器。
6.根據權利要求2所述的平衡光學微波再生系統，其特徵在於，所述信號處理電路為二階有源濾波電路或者由反相加法電路、反相比例電路和二階無源濾波電路組成的電路。
【文檔編號】H01S1/02GK104348070SQ201410455842
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年9月9日 優先權日:2014年9月9日
【發明者】張文豔, 劉波, 劉曉慶, 王東 申請人:中國科學院上海應用物理研究所