1 北京控制与电子技术研究所，北京 102300
2 哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001
3 哈尔滨工业大学郑州研究院，河南 郑州 450000
微波光子学频率测量技术利用光学结构和技术产生、操纵、传输和测量高速微波射频信号，将光子学的高带宽、高复用、低损耗与微波技术的高精细、灵活性和易调控等优势相融合，能够大幅提升现有动态频谱监测系统的性能，在电磁空间安全防护、雷达、高速通信等领域具有显著的优势和应用前景。本文概述了微波光子学频率测量技术的研究进展，对比了包括频谱分析型、功率映射型和信道型等3种微波光子学频率测量技术的测频速度、测频精度等关键指标，并论述了基于光学啁啾链瞬态受激布里渊散射效应的微波光子频率测量技术研究工作。
微波光子学 超快微波频率测量 频谱分析 功率频率映射 信道 光学啁啾链 激光与光电子学进展
2024, 61(1): 0112003
1 天津大学 精密仪器与光电子工程学院 光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072
2 北京控制工程研究所，北京 100190
对稳频半导体激光器的频率进行在线实时监测的需求量和迫切性一直在不断增长。特别是近几年发展起来的连续波激光雷达通常以单频半导体激光器为种子源，并通过相干检测方式获得雷达信号的频率，从而获得目标物的距离信息，这就使得种子光源的频率精度直接与测距精度密切相关，因此，对光源的频率稳定性的表征也提出了新的要求：更关注短期（在相干时间内，亚微秒~数毫秒）的频率变化模式，对长时段内（数分钟~24 h）的绝对频率高精度监测的需求减弱；同时要求频率监测系统具有在线实时监测能力。针对这些需求，基于延时自外差原理，提出了一种表征稳频激光器的频率变化的方法，经过严谨的原理推导和算法编程，使得监测系统不仅结构简单，还实现了在线实时监测功能，并测量了一台利用氰化氢（H13C14N）气体吸收谱线基于边频锁定技术的稳频分布反馈式半导体激光器（DFB-LD）频率变化曲线。测量结果是：在10 ms内稳频激光器的最大频率变化约为25 MHz，并且清楚地观察到激光器的频率变化不是单向的漂移模式。为了进一步验证该方法的精度，采用主流的飞秒光频梳拍频法离线测量了同一台稳频DFB-LD的频率变化，实验结果是：在50 min内频率变化约为30 MHz。两种测量方法的测量结果均在相同的MHz量级，证明了该方法是一个快速可靠的光频率分析手段，可应用于实时调节稳频激光器的伺服回路系统。
半导体激光器 自外差探测 频率测量 稳频 semiconductor laser self-heterodyne detection frequency measurement frequency stabilization 红外与激光工程
2023, 52(10): 20230063
1 华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室，上海 200241
2 华东师范大学量子科学与精密测量研究院，上海 200241
实现了具有最轻质量碱金属6Li的冷原子干涉仪，并通过精确测量其反冲频率初步获得精细结构常数。为了克服6Li原子的总角动量为半整数所导致的对磁场敏感的困难，提出一种磁不敏感Raman跃迁，实现了垂直Raman光的共轭Ramsey Bordé型原子干涉仪，其相干时间超过2.3 ms。通过几何关系用四组干涉仪消除Raman光束之间角度带来的误差。测量得到的反冲频率ωr为2π×73672.789（36）Hz，精细结构常数为1/137.035976（33），是迄今为止基于冷原子干涉仪对6Li反冲频率的最精确测量。6Li冷原子干涉仪的实现不仅丰富了原子干涉仪的元素，而且由于其反冲频率大的特点，在精密测量领域具有极大的潜力。
反冲频率测量 冷原子干涉仪 精细结构常数 激光与光电子学进展
2023, 60(11): 1106019
河南理工大学物理与电子信息学院，河南 焦作 454003
提出了一种基于非均匀光频梳的多频率瞬时信号检测方案。以功率非均匀下降的光频梳功率比为参照，利用待测信号与光频梳的拍频功率比确定信号的频率范围，再由解调后的频率信息计算待测信号的精确频率。仿真实现了0~20 GHz范围内多频信号的瞬时测量，误差范围为0~23 MHz。此外，分析了激光器线宽、光纤布拉格光栅中心频率、调制器偏置电压和光混频器相差对测量结果的影响。结果显示：该系统对激光器线宽和混频器相差的改变不敏感，光纤布拉格光栅中心频率和调制器偏置电压会影响光频梳信号的功率比；当功率比区分度较大时，系统稳定性更高，误差更小。
光纤光学 射频光子学 瞬时频率测量 光频梳 光纤布拉格光栅 双平行马赫-曾德尔调制器 光学学报
2022, 42(23): 2306004
提出了一种基于偏振延时干涉的瞬时频率测量(IFM)系统。通过检测两路正交偏振信号的光功率,建立了振幅比较函数(ACF)。计算结果表明,ACF仅与待测微波信号频率以及利用保偏光纤(PMF)双折射效应引入的时延差有关,并且调节时延差可实现ACF测量范围及精度的可调谐。仿真结果表明,频率范围为0~25 GHz的IFM系统的绝对误差容限为300 MHz。此外,讨论了激光器波长漂移、射频信号强度、马赫-曾德尔调制器(MZM)的偏置电压漂移、MZM消光比、偏振控制器2(PC2)偏振角漂移对系统测量频率的影响。与同类方法相比,所提方案中采用了PMF和偏振分束一体化结构,在实现频率范围可调的同时,简化了系统结构并降低了成本。
光信号处理 射频光子学 瞬时频率测量 偏振延时干涉 光学学报
2021, 41(21): 2107001
1 空军工程大学信息与导航学院，陕西 西安 710077
2 中国人民解放军75835部队，广东 广州 510500
提出一种基于单光路偏振复用技术的微波瞬时频率测量方案。该方案仅需要一个双偏振-双驱动的马赫-曾德尔调制器来提供受激布里渊散射所需的泵浦光与探测光。与现有的双路布里渊散射方案相比，本方案结构简单，系统体积明显减小，泵浦光与探测光干涉稳定且可控，且系统的稳定性增强了。待测微波信号经过载波抑制双边带调制后作为泵浦光，扫频探测信号经过相位调制后作为探测光，利用受激布里渊散射效应实现从相位调制到强度调制的转换。通过建立扫描频率与输出光功率的映射关系，实现了微波信号瞬时频率测量。此外，建立了理论模型和仿真模型来分析泵浦光波长抖动、直流偏置点漂移、电移相器相位漂移，以及泵浦光、探测光偏振状态偏移对频率测量精度的影响。研究结果表明，该方案可以实现30 GHz以上微波信号的频率测量，且最大绝对测量误差不超过30 MHz，相对测量误差低于2%。该方法通过增大扫频探测信号的扫描范围和调制器的调制频率范围，可进一步扩展频率测量范围，在低成本、宽频谱的雷达侦测领域具有良好的应用前景。
散射 微波光子学 微波瞬时频率测量 双偏振马赫-曾德尔调制器 受激布里渊散射 激光与光电子学进展
2021, 58(19): 1929002
昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500
利用两个相位调制器、两个环形器、一个电光调制器等可使光在上下两路高非线性光纤中发生受激布里渊散射，构成双对称受激布里渊散射效应的瞬时微波频率测量系统。利用系统输出光功率比与待测微波信号之间一一对应的关系，建立幅度比较函数，实现微波频率测量。理论分析结果表明，通过调节高非线性光纤的线中心增益系数差值和布里渊频移差值，可以改变微波频率的测量范围和测量误差；当线中心增益系数差值为30、布里渊频移差值为2 GHz时，频率测量范围为0~18 GHz，测量误差小于52 MHz；当线中心增益系数差值为30，布里渊频移差值为0.4 GHz，频率测量范围为0~21 GHz，测量误差小于148 MHz。
光纤光学 受激布里渊散射 幅度比较函数 瞬时频率测量 相位调制 强度调制 激光与光电子学进展
2021, 58(9): 0906001
上海交通大学 电子信息与电气工程学院, 上海 200240
针对布里渊模拟信号处理系统小型化的需求, 提出一种基于掺杂氧化硅波导的受激布里渊散射瞬时频率测量(SBS-IFM)方案。这种方案在链路中添加锁相放大器与滤波器, 有效滤除了反射光, 放大并观测到了掺杂氧化硅波导中的布里渊增益信号。通过相对移动泵浦光和探测光的调制频率, 实现了基于掺杂氧化硅波导的SBS-IFM, 其IFM范围约15 GHz,精度达60 MHz。
微波光子 瞬时频率测量 布里渊增益 氧化硅波导 模拟信号处理 microwave photons instantaneous frequency measurement Brillouin gain silica waveguide analog signal processing
为了更好地对微波信号进行频率测量,采用了一种基于相位调制和强度调制相结合的瞬时测频方法。一束连续波光源通过耦合器被分成两路,未知微波信号分别同时经过相位调制器和强度调制器从而对载波进行调制,之后进入两段长距离的单模光纤中。在光纤中由于色散引起的微波功率损耗的特点,可以获得单调变化的频率-幅度的映射关系,继而通过光电探测的微波信号输出功率比得到幅度比较函数；另外还分析与实现了测频范围与测频精确度的优化。结果表明,该方案结构简易,能够快速精准地测量出未知信号的频率,测量范围可以达到0.5GHz~53GHz,测量误差小于±200MHz。该方法可以有效地测量微波信号频率,可靠性强,适用范围广。
光通信 频率测量 幅度比较函数 相位调制 强度调制 optical communication frequency measurement amplitude comparison function phase modulation intensity modulation
