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 中国兵器装备集团公司 武汉滨湖电子有限责任公司， 武汉 430205
2 中国电子科技集团公司第三十八研究所， 合肥 230088
瞬时测频(IFM)是现代电子战中的一项重要技术。基于光子辅助的IFM技术具有大带宽、低损耗、小尺寸、轻重量和抗电磁干扰等优势，可克服传统电子学方法的瓶颈，因此备受青睐。文章在已有研究基础上，给出了另一种测频误差更小的光子辅助瞬时测频方法，通过搭建具有射频功率响应互补特性的光链路，实现了对0.5~18.5GHz信号的频率测量。研究表明，链路的信号增益实测结果与理论吻合，据此构造的幅度比较函数随频率变化更加剧烈，非常有利于实现准确的频率测量，获得了优于30MHz的测量精度。而且，该方法较为简单，只需少量的常规器件即可实现，抗环境变化能力也得到提升。通过更换高频的调制器和光电探测器，可实现对更高波段信号的频率测量。
瞬时测频 互补 误差 幅度比较函数 instantaneous frequency measurement complementary error amplitude comparison function
研究了一种基于非平坦光频梳的多频率瞬时信号检测方案。该方案采用待测多频信号与锯齿波共同调制，在加载电信号的同时实现非平坦光频梳的生成，并最终利用拍频后成对电信号的功率比值实现对微波频率的标定。通过将待测信号调制与光频梳生成合并的方式可避免多条支路检测的不平衡变化，系统测频范围可通过改变锯齿波频率调节。仿真实现了在0.3~40 GHz的频率范围内，测量误差小于40 MHz的微波信号多频测量。此外，分析了待测射频功率和调制器偏置漂移的影响，结果显示，该系统可辨识待测信号的最小功率为-10 dBm，而且对调制器偏置漂移不敏感。
多频信号 瞬时微波测频 光频梳 信道化 光学学报
2023, 43(22): 2206001
武汉滨湖电子有限责任公司，湖北 武汉 430205
瞬时测频（IFM）是现代电子战中的一项重要技术。传统基于电子学的方法由于自身瓶颈面临极大的挑战，基于光子辅助的IFM技术因其具有大带宽、低损耗、小尺寸、轻重量和抗电磁干扰等优势而备受关注。推导了基于双臂非平衡光链路的瞬时测频理论，并采用简单的器件搭建了验证系统，实现了对0.5~18.5 GHz信号的频率测量。研究表明：实测结果与理论非常吻合，并获得了较优的测量精度（±60 MHz以内）。相位调制链路的采用使得系统的前端得到简化，因而在**应用上有较好的潜力。
瞬时测频 幅度比较函数 相位调制 非平衡光链路 激光与光电子学进展
2023, 60(17): 1712001
1 中国科学院国家授时中心时间频率基准重点实验室，陕西 西安 710600
2 合肥国家实验室，安徽 合肥 230088
3 中国科学院大学天文与空间科学学院，北京 100049
利用87Sr光晶格钟与氢钟的频率比对测量了氢钟的频率稳定度。在89%的光晶格钟有效运行率下，经过约10 d的测量得出氢钟的频率稳定度，并由此推导出氢钟噪声模型的相关参数。根据氢钟噪声模型生成的随机噪声序列，对由测量死时间导致的频差进行了 100 次模拟，并以模拟结果的1倍标准差为测量不确定度。不同有效运行率下，氢钟测量不确定度的计算结果表明，由氢钟测量死时间导致的不确定度随有效运行率的增加而减小，且在有效运行率小于10%时，增加总的测量时间可以显著减小测量不确定。
测量 光频测量 氢钟噪声模型 光晶格钟 稳定度 光学学报
2023, 43(13): 1312003
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
河南理工大学 物理与电子信息学院，河南 焦作 454003
提出了一种瞬时多频率微波信号测量方案，采用单个激光源，将待测微波信号调制的光载波作为泵浦光，利用波分复用形成多路结构，同时与分路后的光频梳一一对应送入色散位移光纤，利用受激布里渊散射原理实现频率到空间的映射，通过监测相应通道输出光信号强度的变化，即可判断待测微波信号的频率。在仿真实验中，分别对0~25 GHz范围内的单频信号和多频信号进行了瞬时测频，实验结果显示含有待测微波信号的通道与其他通道相比输出功率有明显增大。该方法可同时测量0.1~25 GHz的单频或多频的微波信号，频率测量分辨率为0.1 GHz，测量误差为±0.05 GHz。此外，分析了调制器偏置电压漂移对实验结果的影响。仿真结果表明，此方案对偏置电压漂移带来的影响有一定的抵抗能力。
微波光子 瞬时测频 受激布里渊散射 光频梳 马赫增德尔调制器 Microwave photon Instantaneous frequency measurement Stimulated Brillouin scattering Optical frequency comb Mach-Zehnder Modulator
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
