[发明专利]基于超稳腔直接光生微波系统的装置与方法

说明书

一种基于超稳腔直接光生微波的装置，包括窄脉冲激光、声光调制器、第一偏振分光棱镜、二分之一波片、第一反射镜、电光调制器、第二反射镜、滤波器、第二偏振分光棱镜、超稳腔、第三偏振分光棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器、差分器和调制器。本发明将微波信号直接锁定在超稳腔的腔长上，具有结构简单、指标优异的优点，有望实现10^‑15的秒稳定度。

技术领域

本发明涉及超低噪声微波振荡器领域，微波振荡器用于产生微波射频信号，在微波电路的相关领域有非常重要的作用。

背景技术

超低噪声微波振荡器在原子频标、原子干涉仪、超高精度时频传递等领域具有非常重要的作用，它对冷原子微波钟的短期稳定度起着至关重要的作用。目前主要的超低噪声微波振荡器有低温蓝宝石振荡器和光生微波系统。前者造价很高，只有澳大利亚生产，后者的相关研究更多一些。光生微波是一种在光通信等领域也在应用的方法，普通的光生微波一般采用两束激光拍频的方法产生微波信号(例如CN 104051955 A)。而用于生成超低噪声微波振荡器的光生方案与之不同，采用了超窄线宽激光器加飞秒光梳的方案。其中超窄线宽激光器通过锁定超稳腔或者光纤延时线产生。飞秒光梳是另一项关键技术，飞秒激光器产生飞秒光梳，利用光子晶体光纤等非线性器件扩展频带，然后用基频和2倍频拍频的方法锁定飞秒光梳间隔，再将它的一个频率梳锁定在超窄线宽激光上，通过光电探测的方法探测重复频率，得到超稳微波信号。

但是该方法结构复杂、造价高、对工作环境要求高、并且可靠性差。其中主要的困难在于飞秒光梳，它的价格非常昂贵，而且特别容易失锁。他是影响超低噪声微波振荡器连续运行的重要因素，它的价格和复杂性也阻碍了基于该方案的超低噪声微波振荡器的普及。

发明内容

本发明为弥补现有光生微波方法的不足，提供了一种基于超稳腔直接光生微波的装置及方法。光生微波的原理是将窄线宽激光器锁定在超稳光学腔上，在此基础上，对激光进行调制，让电光调制产生的边带也通过超稳光学腔，探测基频和边带的透射信号，并进行差分，以差分信号锁定调制信号的频率源——微波振荡器，锁定后的振荡器信号输出即是光生微波。它基于超稳腔锁定激光，脱离了飞秒光梳。通过利用调制器来产生边带，将不同调制频率的激光耦合输入超稳腔，其中两个频率的激光锁定在由超低膨胀玻璃制作的高品质因数法布里波罗腔的共振频率上，利用透射信号锁定其中的一束激光，并利用透射信号的差分信号锁定两束激光的频差，这样就可以将调制频率锁定在超稳腔的腔长上，调制信号具有与腔长相同的稳定度，从而得到超低噪声微波信号。该方法简化了系统，降低了造价，同时减少了噪声对于系统稳定度的影响。

本发明通过以下技术方案实现的：

一种基于超稳腔直接光生微波的装置，其特点在于，包括窄脉冲激光、声光调制器、第一偏振分光棱镜、二分之一波片、第一反射镜、电光调制器、第二反射镜、滤波器、第二偏振分光棱镜、超稳腔、第三偏振分光棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器、差分器和调制器；

所述的窄脉冲激光经声光调制器调制后经第一偏振分光棱镜分束为第一反射光束与第一透射光束，所述的第一反射光束依次经二分之一波片、第一反射镜、电光调制器、第二反射镜和滤波器，入射到所述的第二偏振分光棱镜，所述的第二透射光束入射到所述的第二偏振分光棱镜，通过第二偏振分光棱镜合束后，经所述的超稳腔，入射至第三偏振分光棱镜，经该第三偏振分光棱镜分束为第二反射光束与第二透射光束，所述的第一反射光束由第一光电探测器接收转换为第一电信号，所述的第二透射光束由第二光电探测器接收转换为第二电信号并分为两路，一路作为反馈返回到所述的声光调制器，另一路与第一电信号通过差分器做差分，得到的差分信号作为反馈信号经调制器返回电光调制器并输出。

一种基于超稳腔直接光生微波的方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：

①对窄线宽激光器通过(光纤)电光调制的办法进行10GHz的低噪声高频、高调制深度的调制，产生多级边带；