一种光生微波源系统和方法与流程

1.本发明涉及光生微波技术领域。更具体地，涉及一种光生微波源系统和方法。


背景技术：

2.低相噪、高稳定度的微波频率源被广泛的应用与雷达、通信计量等领域，是现代电子器件的核心部件。微波源的获得一般有三种方式：一、标准晶体振荡器倍频方式；二、利用介质的低损耗，设计成高q值的介质谐振腔，构建正反馈放大电路，并对相位和幅度进行控制，提高输出信号的稳定度；三、采用光生微波的方式；主要有两类：1、将超稳激光锁定在高稳光学谐振腔上，并通过光梳转换至所需的频率；2、光电振荡器的方法；利用光纤或光滤波器对光进行滤波，并将光信号转换至电信号，将电信号放大后加载至激光器的调制器，形成振荡环路。
3.在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：在上述发中，第一种方法是目前最成熟的方法，但相噪指标和稳定度指标较差。第二种方法方法具有极高的稳定度指标和相噪指标，但设备体积和重量大，应用场合较小。第三种方法中超稳激光器锁定在光学谐振腔上的方法可以获得极高的稳定度和相噪指标，但由于激光器的波长漂移和老化，连续运行时间较短，光路结构复杂且成本高昂。光电振荡器的方法能够获得较好的相噪指标，且结构紧凑、连续工作时间长，应用范围较广。光电振荡器主要的组成部分由激光器、光滤波腔(一般由光纤或微纳结构光滤波腔构成)、光探测器、电放大器、光调制器等构成。依据主要的工作原理，选择不同器件可以构建多种光电振荡器用于产生高品质的微波信号。光生微波技术能够获得微波信号的相位噪声指标，cpt类型的原子钟能获得较高稳定度频微波信号。但更多的应用领域需要相位噪声和稳定度指标同时较优的微波信号源。
4.因此，需要提供一种光生微波源系统和方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种光生微波源系统和方法，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。
6.为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
7.本发明第一方面提供一种光生微波源系统，该系统包括光信号生成模块、光电探测器、电信号调整模块、晶体振荡器锁定模块和pid控制模块，其中，
8.所述光信号生成模块，用于产生cpt现象，形成光学滤波；
9.所述光电探测器，用于将光信号转换成电信号；
10.所述电信号调整模块，用于对所述光电探测器输出的电信号进行放大，并通过第一耦合器进行分束；
11.所述晶体振荡器锁定模块，包括晶体振荡器，用于对分束后的第二路信号进行调制，将调制后的信号经过分频器分频，将所述分频后的信号与所述晶体振荡器输出的信号进行鉴相并形成误差校验信号，所述晶体振荡器锁定模块产生所述微波源系统的微波信
号；
12.所述pid控制模块，用于对所述晶体振荡器锁定模块输出的误差校验信号进行处理，形成压控信号对压控移相器进行压控。
13.可选地，所述光信号生成模块包括vcsel激光器和铷泡单元，所述铷泡单元在外部光场和电场的激励下产生cpt现象。
14.可选地，所述系统还包括位于所述vcsel激光器和所述铷泡单元之间的光束整形模块，所述光束整形模块用于对所述vcsel激光器产生的光进行调整从而形成圆偏振光。
15.可选地，所述电信号调整模块包括第一电放大模块和第一耦合器，所述第一耦合器对经过所述第一电放大模块的电信号进行分束，分束后的第一路电信号经过压控移相器后输入至vcsel激光器上，形成闭合环路。
16.可选地，所述晶体振荡器锁定模块包括第二电放大模块、第二耦合器、分频器、晶体振荡器和鉴相模块，所述第一耦合器分束后的第二路电信号经过所述第二电放大模块放大后，进入所述第二耦合器；所述第二耦合器对电信号进行分束，所述第二耦合器的第一路信号进入所述分频器，所述第二耦合器的第二路信号电信号作为6.8ghz的微波信号输出。
17.可选地，所述晶体振荡器输出的第二路信号作为所述微波源系统的标准时间信号。
18.可选地，所述分频器用于对所述第二耦合器输出的第一路电信号进行分频。
19.可选地，所述鉴相模块用于对所述分频后的信号和所述晶体振荡器输出的电信号进行相位测算，并将鉴相结果输出至所述pid控制模块。
20.可选地，所述pid控制模块包括pid控制器和压控移相器，所述pid控制器对所述鉴相结果进行处理，形成压控信号对所述压控移相器进行压控。
21.本发明第二方面提供一种光生微波方法，该方法包括
22.将vcsel激光器产生的光源通过铷金属气室产生ctp现象，形成光学滤波，经光学滤波后输出激光束；
23.滤波后的光信号经光电探测器转换成电信号；
24.对电信号进行放大并调制，调制后的电信号经第一耦合器分束，分束后的第一路信号通过压控移相器连接到vcsel激光器上，形成闭合环路；
25.对分束后的第二路信号进行放大调制，并将调制后的信号输入至分频器进行分频，将分频后的信号与晶体振荡器输出的第一路信号进行鉴相并形成误差校验信号，晶体振荡器锁定模块产生微波源系统的微波信号，晶体振荡器输出的第二路信号作为微波源系统的标准时间信号；
26.通过pid控制模块对鉴相后形成的误差校验信号进行处理，形成压控信号对压控移相器进行压控。
27.本发明的有益效果如下：
28.本发明提供了一种光生微波源系统和方法，该方法利用vcsel激光器，通过铷金属气室产生的cpt现象，形成光学滤波，经探测器转为电信号后，放大并对激光器进行调制，形成正反馈环路，cpt的光学等效滤波极窄，减小了噪声，产生低相位噪声的微波信号；通过将6.8ghz的微波信号锁定至晶体振荡器，提升了该微波信号的稳定度。本发明兼具了cpt原子钟的稳定度和光电振荡器低相噪的优点，能够提供高稳定度和低相噪的微波信号及时间频
率信号。
附图说明
29.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
30.图1示出本发明光生微波源系统的示意图。
31.1vcsel激光器2光束整形模块3铷泡单元
32.4光电探测器
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5第一电放大模块
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6第一耦合器
33.7压控移相器
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8第二电放大模块
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9第二耦合器
34.10分频器
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11晶体振荡器
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12鉴相模块
35.13pid控制器
具体实施方式
36.为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
37.本发明提供了一种光生微波源系统和方法，提升了该微波信号的稳定度，能够提供高稳定度和低相噪的微波信号及时间频率信号。
38.本发明第一方面提供一种光生微波源系统，该系统包括光信号生成模块、光电探测器、电信号调整模块、晶体振荡器锁定模块和pid控制模块，其中，
39.光信号生成模块，用于产生cpt现象，经光学滤波后输出激光束；
40.光电探测器，用于将光信号转换成电信号；
41.电信号调整模块，用于对光电探测器输出的电信号进行放大，并通过第一耦合器进行分束；
42.晶体振荡器锁定模块，包括晶体振荡器，用于对分束后的第二路信号进行调制，将调制后的信号经过分频器分频，将分频后的信号与晶体振荡器输出的信号进行鉴相并形成误差校验信号，晶体振荡器锁定模块产生微波源系统的微波信号；
43.pid控制模块，用于对晶体振荡器锁定模块输出的误差检验信号进行处理，形成压控信号对压控移相器进行压控。
44.光信号生成模块包括vcsel激光器、光束整形模块和铷泡单元，vcsel激光器是系统的光源，是系统的光载波，对调制的微波信号进行传输；光束整形模块用于对激光器的偏振态、光强分布进行调整；铷泡单元中存在铷蒸气，铷蒸气的原子超精细能级在外部光场和电场的激励下能够形成cpt现象。
45.电信号调整模块包括第一电放大模块和第一耦合器，第一耦合器对通过第一电放大模块的电信号进行分束，分束后的第一路电信号经过压控移相器后输入至vcsel激光器上，形成闭合环路。
46.晶体振荡器锁定模块包括第二电放大模块、第二耦合器、分频器、晶体振荡器和鉴相模块，第一耦合器分束后的第二路电信号经过第二电放大模块放大后，进入第二耦合器；第二耦合器将通过第二电放大模块的电信号进行分束，分束后的第一路电信号进入分频器，第二路信号作为6.8ghz的微波信号输出；分频器用于将所述第二耦合器输出的电信号
从高频6.8ghz分频至10mhz附近；鉴相模块包括鉴相器，鉴相器用于对第二耦合器输出的第一路信号和晶体振荡器输出的信号进行相位测算，通过相位差判断微波信号的波动程度，并将鉴相后形成的误差校验信号输出至pid控制模块。
47.pid控制模块包括pid控制器和压控移相器，其中，pid控制器对鉴相模块输出的误差校验信号进行处理，产生压控信号，对压控移相器进行压控，压控移相器通过慢变电压控制6.8ghz微波信号的相位，也就是控制时延。压控移相器根据pid控制器输出的压控信号对第一耦合器输出的第一路信号的相位进行控制，压控移相器可以看成三端口的器件，两端口传输微波信号，剩余一端口加偏执电压或慢变电压。
48.在一个具体实施例中，例如第四路电信号作为6.8ghz的微波信号，通过分频器后获得了10mhz的信号，该10mhz信号与晶体振荡器的10mhz进行鉴相，通过相位差判断微波信号的波动程度，形成误差校验信号，pid控制器对误差校验信号处理，然后对压控移相器进行控制，提升了6.8ghz微波信号稳的定度。
49.在一个具体实施例中，本发明提供的一种光生微波源系统的连接方式为：
50.vcsel激光器的输出端连接至光束整形模块的输入端，光束整形模块的输出端连接至铷泡单元的输入端，铷泡单元的输出端连接至光电探测器的输入端，光电探测器的输出端连接至第一电放大模块的输入端，第一电放大模块的输出端连接至第一耦合器，第一耦合器的输出端一端连接至压控移相器的输入端，另一输出端连接至第二电放大模块的输入端，第二电放大模块的输出端连接至第二耦合器的输入端，第二耦合器的输出端一端连接至分频器的输入端，另一输出端口输出6.8ghz的微波信号，分频器的输出端和晶体振荡器的输出端均连接至鉴相模块的输入端，晶体振荡器的另一输出端输出10mhz的时间信号，鉴相模块的输出端连接至pid控制器的输入端，pid控制器的输出端连接至压控移相器的输入端，压控移相器的输出端连接至vcsel激光器的输入端。
51.本发明第二方面提供一种光生微波源方法，该方法包括，
52.将vcsel激光器产生的光源通过铷金属气室产生ctp现象，形成光学滤波，经光学滤波后输出激光束；
53.滤波后的光信号经光电探测器转换成电信号；
54.对电信号进行放大并对调制，调制后的电信号经第一耦合器分束，分束后的第一路电信号通过压控移相器连接到vcsel激光器上，形成闭合环路；
55.对分束后的第二路信号进行放大调制，并将调制后的信号输入至分频器进行分频，将分频后的信号与晶体振荡器输出的第一路信号进行鉴相并形成误差校验信号，晶体振荡器锁定模块产生微波源系统的微波信号，晶体振荡器输出的第二路信号作为微波源系统的标准时间信号；
56.通过pid控制模块对鉴相后形成的误差校验信号进行处理，形成压控信号对压控移相器进行压控。
57.具体地，光信号生成模块、光电探测器、电信号调整模块与压控移相器构成闭合环路，闭合环路为正反馈环路，当闭合环路的增益大于损耗时将产生微波信号。
58.低相噪是利用了cpt现象的光学滤波实现的，cpt的光学等效滤波极窄，减小了噪声，高稳定度是通过晶体振荡器的锁定模块实现的。
59.在一个具体实施例中，按照图1进行线路组装，vcsel半导体激光器的输出波长为
794nm，vcsel激光器发出的光经过光束整形模块整形后变为发散角度较小的圆偏振光，经过光束整形模块后的光照射铷泡单元，该单元由含有铷87气体的玻璃泡和缠绕在玻璃泡上的线圈和温控系统组成，铷泡单元里面的充有铷蒸气，铷蒸气的原子超精细能级在外部光场和电场的激励下能够形成cpt现象，经过铷泡单元的光在光电探测器进行探测，将光信号转换成电信号，经过第一电放大模块对电信号进行放大，然后通过第一耦合器进行分束，第一路电信号通过压控移相器连接到vcsel激光器上，形成闭合环路；第一耦合器的第二路电信号经过第二电放大模块放大后，进入第二耦合器，经第二耦合器分束后，第二耦合器的第一路信号进入分频器进行分频，分频后的信号和晶体振荡器输出的10mhz信号输入鉴相模块进行鉴相并形成误差校验信号，鉴相后的误差校验信号经pid控制器形成压控电压对压控移相器进行压控。第二耦合器的第二路信号做为6.8ghz微波信号的输出，晶体振荡器的第二路信号作为微波源系统的10mhz标准时间信号输出。
60.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
61.还需要说明的是，在本发明的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
62.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

技术特征：
1.一种光生微波源系统，其特征在于，该系统包括：光信号生成模块、光电探测器、电信号调整模块、晶体振荡器锁定模块和pid控制模块，其中，所述光信号生成模块，用于产生cpt现象，输出经光学滤波后的激光束；所述光电探测器，用于将光信号转换成电信号；所述电信号调整模块，用于对所述光电探测器输出的电信号进行放大，并通过第一耦合器进行分束；所述晶体振荡器锁定模块，包括晶体振荡器，用于对分束后的第二路信号进行调制，将调制后的信号经过分频器分频，将所述分频后的信号与所述晶体振荡器输出的信号进行鉴相并形成误差校验信号，所述晶体振荡器锁定模块产生所述微波源系统的微波信号；所述pid控制模块，用于对所述晶体振荡器锁定模块输出的误差校验信号进行处理，形成压控信号对压控移相器进行压控。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光信号生成模块包括vcsel激光器和铷泡单元，所述铷泡单元，在外部光场和电场的激励下产生cpt现象。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括位于所述vcsel激光器和所述铷泡单元之间的光束整形模块，所述光束整形模块用于将所述vcsel激光器产生的光形成圆偏振光。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电信号调整模块包括第一电放大模块和第一耦合器，所述第一耦合器对经过所述第一电放大模块的电信号进行分束，分束后的第一路电信号经过压控移相器后输入至vcsel激光器上，形成闭合环路。5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述晶体振荡器锁定模块包括第二电放大模块、第二耦合器、分频器、晶体振荡器和鉴相模块，所述第一耦合器分束后的第二路电信号经过所述第二电放大模块放大后，进入所述第二耦合器；所述第二耦合器对电信号进行分束，所述第二耦合器的第一路信号进入所述分频器，所述第二耦合器的第二路信号作为6.8ghz的微波信号输出。6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述晶体振荡器输出的第二路信号作为所述微波源系统的标准时间信号。7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述分频器用于对所述第二耦合器输出的第一路信号进行分频。8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述鉴相模块用于对所述分频后的信号和所述晶体振荡器输出的信号进行相位测算，并将鉴相结果输出至所述pid控制模块。9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述pid控制模块包括pid控制器和压控移相器，所述pid控制器对所述鉴相结果进行处理，形成压控信号对所述压控移相器进行压控。10.一种光生微波方法，其特征在于，该方法根据权利要求1-9任一权利要求所述的一种光生微波源系统，该方法包括将vcsel激光器产生的光源通过铷金属气室产生ctp现象，形成光学滤波，经光学滤波后输出激光束；滤波后的光信号经光电探测器转换成电信号；对电信号进行放大并调制，调制后的电信号经第一耦合器分束，分束后的第一路信号
通过压控移相器连接到vcsel激光器上，形成闭合环路；对分束后的第二路信号进行放大调制，并将调制后的信号输入至分频器进行分频，将分频后的信号与晶体振荡器输出的第一路信号进行鉴相并形成误差校验信号，晶体振荡器锁定模块产生微波源系统的微波信号，晶体振荡器输出的第二路信号作为微波源系统的标准时间信号；通过pid控制模块对鉴相后形成的误差校验信号进行处理，形成压控信号对压控移相器进行压控。

技术总结
本发明公开一种光生微波源系统和方法，该系统包括光信号生成模块，用于产生CPT现象，输出光学滤波后的激光束；光电探测器，用于将光信号转换成电信号；电信号调整模块，用于对光电探测器输出的电信号进行放大，并进行分束；晶体振荡器锁定模块，包括晶体振荡器，用于对分束后的第二路信号进行调制并输入至分频器，将分频后的信号与晶体振荡器输出的信号进行鉴相并形成误差校验信号，晶体振荡器锁定模块产生所述微波源系统的微波信号；PID控制模块，用于对误差校验信号进行处理，形成压控信号对压控移相器进行控制。本发明兼具了CPT原子钟的稳定度和光电振荡器低相噪的优点，提升了微波信号的稳定度，能够提供高稳定度和低相噪的微波及时间频率信号。微波及时间频率信号。微波及时间频率信号。


技术研发人员：陈海波 刘亚轩 刘灿 王亮
受保护的技术使用者：北京无线电计量测试研究所
技术研发日：2023.04.23
技术公布日：2023/7/25