一種線性調(diào)頻單頻脈沖光纖激光器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種線性調(diào)頻單頻脈沖光纖激光器，包括：窄線寬種子源、射頻信號源、電光調(diào)制器驅(qū)動器、雙平行相位調(diào)制器、光纖分束器、聲光調(diào)制器驅(qū)動器、聲光調(diào)制器、光纖放大器。本實用新型具有高峰值功率的特點；本實用新型利用2×2MZI結(jié)構(gòu)雙平行相位調(diào)制器寬帶線性頻率調(diào)制，聲光調(diào)制器脈沖斬波，光纖放大器高峰值功率輸出。本實用新型具有峰值功率高，調(diào)制帶寬大、調(diào)制速度快、調(diào)頻線性度高、結(jié)構(gòu)簡單、全光纖化、人眼安全、線偏振輸出的特點，能夠滿足遠(yuǎn)程高分辨率測距測速激光雷達的對激光光源的應(yīng)用要求，可用于遠(yuǎn)程相干測距、合成孔徑/逆合成孔徑激光雷達、空間態(tài)勢感知等領(lǐng)域。
【專利說明】
一種線性調(diào)頻單頻脈沖光纖激光器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于激光雷達技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種線性調(diào)頻單頻脈沖光纖激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]為了提高激光雷達的作用距離、距離分辨率和速度分辨率等指標(biāo)，要求發(fā)射的激光信號具有大時寬帶寬特征。線性調(diào)頻信號和相位編碼信號是兩種典型的大時寬帶寬信號。合成孔徑激光雷達技術(shù)中采用的線性頻率調(diào)制連續(xù)波技術(shù)，從激光持續(xù)時間來說，也存在激光連續(xù)發(fā)射和脈沖發(fā)射兩種情形。即使是脈沖發(fā)射情形，脈沖的持續(xù)時間也必須遠(yuǎn)大于目標(biāo)物體回波信號的飛行時間，好處是可以實現(xiàn)對高調(diào)制頻率的降頻處理，獲得低的中頻信號，降低信號處理難度。但是在激光連續(xù)輸出和寬脈沖輸出條件下，不可能實現(xiàn)高峰值功率，難以滿足實際應(yīng)用中的遠(yuǎn)程測量要求，同時極低的重復(fù)頻率也不滿足高速目標(biāo)測量的幀頻要求。因此在遠(yuǎn)程高精度測量系統(tǒng)中要求采用大能量、線性調(diào)頻短脈沖相干激光光源。線性頻率調(diào)制脈沖相干探測技術(shù)具有代表性的研究成果是美國麻省理工學(xué)院林肯實驗室“火池” CO2激光雷達成像?！盎鸪亍惫鈱W(xué)裝置用于長距離觀測衛(wèi)星、飛機和陸地目標(biāo)等。1990年，“火池” ω2激光雷達發(fā)射6Hz重復(fù)頻率、由一串32個寬度Iys、線性調(diào)頻帶寬IGHz上啁啾信號組成的包絡(luò)寬度32ys的激光脈沖，成功地獲取了世界上首幅軌道衛(wèi)星精細(xì)的距離一多普勒圖像。線性調(diào)頻信號調(diào)制函數(shù)是連續(xù)的，屬于“連續(xù)型”信號，而相位編碼信號，其相位調(diào)制函數(shù)是離散的有限狀態(tài)，屬于“離散型”編碼脈沖信號。由于相位編碼采用偽隨機序列，因此這類信號也稱為偽隨機編碼信號。在相位編碼中，是將寬脈沖分為許多短的等寬度或不等寬度子脈沖，每個子脈沖以不同的相位進行調(diào)制。其調(diào)制的順序由指定的編碼序列決定。相位編碼脈沖信號在時域通過對信號的相位調(diào)制來獲得很大的等效帶寬，從而提高雷達的距離分辨力。在洛克希德馬丁公司公開的兩個室外SAL實驗成像資料中，采用的是編碼脈沖激光體制。洛克西德馬丁公司在2011年采用1.5μπι波長激光首次演示了機載合成孔徑激光雷達成像，成像距離1.6km。光源為1550nm光纖激光器，脈沖寬度20ns，重頻10kHz，采用內(nèi)部脈沖相位編碼展寬波形帶寬為7GHz，實現(xiàn)2cm的距離分辨率。在20ns的脈沖幅度包絡(luò)內(nèi)脈內(nèi)相位調(diào)制編碼子脈沖波形最小寬度83ps。
[0003]目前未見其他具有大時寬帶寬積信號特征的高峰值功率脈沖激光器報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種線性調(diào)頻單頻脈沖光纖激光器，旨在提供一種具有峰值功率高、調(diào)制帶寬大、調(diào)制速度快、調(diào)頻線性度高、結(jié)構(gòu)簡單、全光纖化、人眼安全、線偏振輸出的具有大時寬帶寬信號特征的全光纖結(jié)構(gòu)的線性頻率調(diào)制單頻脈沖光纖激光器。
[0005]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種線性調(diào)頻單頻脈沖光纖激光器，所述線性調(diào)頻單頻脈沖光纖激光器包括:
[0006]窄線寬種子源，用于輸出1.5微米波長線偏振連續(xù)激光；
[0007]射頻信號源，用于產(chǎn)生與線性調(diào)頻信號同步的脈沖斬波信號，送入到電光調(diào)制器驅(qū)動器；
[0008]電光調(diào)制器驅(qū)動器，用于將線性頻率調(diào)制信號和偏置電壓加載到雙平行相位調(diào)制器；
[0009]雙平行相位調(diào)制器，與窄線寬種子源輸出端相連，對激光進行線性頻率調(diào)制；
[0010]光纖分束器，與雙平行相位調(diào)制器輸出端相連，分出小部分調(diào)制后激光作為雷達本振光；
[0011]聲光調(diào)制器驅(qū)動器，用于將脈沖斬波信號加載到聲光調(diào)制器；
[0012]聲光調(diào)制器，與光纖分束器輸出相連，將連續(xù)激光被斬波為脈沖激光輸出；
[0013]光纖放大器，與聲光調(diào)制器輸出相連，將放大后的激光輸出。
[0014]進一步，所述窄線寬種子源為1.5微米波段輸出連續(xù)激光的窄線寬半導(dǎo)體激光器、DBR/DFB光纖激光器、固體激光器中任意一種，光譜線寬小于200kHz，偏振態(tài)為線偏振，單模保偏光纖輸出，輸出光功率I?100mW。
[0015]進一步，所述雙平行相位調(diào)制器2為2X2MZI結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)光學(xué)電光調(diào)制器，電光晶體材料為鈮酸鋰、鉭鈮酸鉀。
[0016]進一步，所述射頻信號源用于產(chǎn)生施加在雙平行相位調(diào)制器上的線性頻率調(diào)制的正弦波信號，信號載波頻率10GHz，信號周期2ys，一個周期的信號由Uis帶寬2GHz的上調(diào)頻和Iys帶寬2GHz的下調(diào)頻信號組成;射頻信號源同時用于產(chǎn)生施加在聲光調(diào)制器上的脈沖斬波信號，信號脈沖重復(fù)頻率1kHz，脈沖持續(xù)時間2ys。
[0017]進一步，所述電光調(diào)制器驅(qū)動器接收射頻信號后，將射頻信號轉(zhuǎn)換為具有足夠功率和固定相位差的兩路信號，將兩路信號和3路偏置電壓加載到雙平行相位調(diào)制器。
[0018]進一步，所述光纖放大器為單模光纖放大器、雙包層光纖放大器或兩者組合構(gòu)成的多級光纖放大器。
[0019]進一步，所述激光輸出激光脈沖重復(fù)頻率IkHz，脈沖寬度2ys，線性調(diào)頻帶寬2GHz。
[0020]本發(fā)明的另一目的在于提供一種包含所述線性調(diào)頻單頻脈沖光纖激光器的遠(yuǎn)程相干測距系統(tǒng)。
[0021]本發(fā)明的另一目的在于提供一種包含所述線性調(diào)頻單頻脈沖光纖激光器的合成孔徑/逆合成孔徑激光雷達系統(tǒng)。
[0022]本發(fā)明的另一目的在于提供一種包含述線性調(diào)頻單頻脈沖光纖激光器的空間態(tài)勢感知系統(tǒng)。
[0023]本發(fā)明提供的線性調(diào)頻單頻脈沖光纖激光器，本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)有如下有益效果:
[0024]本發(fā)明具有窄線寬的特點，在窄線寬種子源激光腔外實現(xiàn)頻率調(diào)制，在調(diào)頻過程中保留種子源的窄線寬特性;本發(fā)明具有調(diào)制帶寬大的特點，調(diào)制帶寬由雙平行相位調(diào)制器的調(diào)制帶寬決定，目前可以實現(xiàn)I?18GHz帶寬范圍的調(diào)制，超過已報道的固體激光器的線性調(diào)頻范圍。本發(fā)明具有調(diào)制速度快的特點，在窄線寬種子源激光腔外實現(xiàn)頻率調(diào)制，調(diào)制速度由射頻信號源輸出波形變化速率決定。本發(fā)明具有調(diào)頻線性度高的特點，雙平行相位調(diào)制器是波導(dǎo)光學(xué)器件，調(diào)制電壓低于13V，調(diào)頻線性度不受電子元器件壓擺率限制，調(diào)頻線性度遠(yuǎn)高于采用電光晶體內(nèi)調(diào)制方案的固體激光器。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單的特點，由雙平行相位調(diào)制器實現(xiàn)線性頻率調(diào)制，從調(diào)制器直接輸出光載波和其它邊帶被高比例抑制的單邊帶信號，不需要進行光學(xué)濾波。本發(fā)明輸出激光具有人眼安全的特點;本發(fā)明采用的光學(xué)元器件帶尾纖輸出，激光器結(jié)構(gòu)具有全光纖化的特點；本發(fā)明具有輸出線偏振激光的特點。本發(fā)明具有高峰值功率輸出的特點。本發(fā)明能夠滿足遠(yuǎn)程高分辨率測距測速激光雷達的對激光光源的應(yīng)用要求，可用于遠(yuǎn)程相干測距、合成孔徑/逆合成孔徑激光雷達、空間態(tài)勢感知等領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明實施例提供的線性調(diào)頻單頻脈沖光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖中:1、窄線寬種子源;2、雙平行相位調(diào)制器;3、光纖分束器;4、聲光調(diào)制器;5、光纖放大器;6、射頻信號源；7、電光調(diào)制器驅(qū)動器;8、聲光調(diào)制器驅(qū)動器;9、光纖分束器輸出端;1、光纖放大器輸出端。
[0027]圖2是本發(fā)明實施例提供的是雙平行相位調(diào)制器的原理結(jié)構(gòu)圖。
[0028]圖3是本發(fā)明實施例提供的射頻信號源發(fā)射的線性調(diào)頻信號和脈沖斬波信號關(guān)系圖。
【具體實施方式】
[0029]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0030]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。
[0031 ]參閱圖1，線性頻率調(diào)制單頻脈沖光纖激光器構(gòu)成包括:窄線寬種子源1、雙平行相位調(diào)制器2、光纖分束器3、聲光調(diào)制器4、光纖放大器5、射頻信號源6、電光調(diào)制器驅(qū)動器7、聲光調(diào)制器驅(qū)動器8、光纖分束器輸出端9、光纖放大器輸出端10。其中:
[0032]窄線寬種子源I輸出1.5微米波長線偏振連續(xù)激光。射頻信號源3產(chǎn)生線性頻率調(diào)制信號，送入到電光調(diào)制器驅(qū)動器7，電光調(diào)制器驅(qū)動器7將線性頻率調(diào)制信號和偏置電壓加載到雙平行相位調(diào)制器2。窄線寬種子源I輸出端和雙平行相位調(diào)制器2相連，激光在雙平行相位調(diào)制器2發(fā)生線性頻率調(diào)制。雙平行相位調(diào)制器2輸出端與光纖分束器3相連，光纖分束器輸出端9輸出部分調(diào)制后的激光作為雷達本振光。射頻信號源3產(chǎn)生與線性調(diào)頻信號同步的脈沖斬波信號，送入到聲光調(diào)制器驅(qū)動器8，聲光調(diào)制器驅(qū)動器8將脈沖斬波信號加載到聲光調(diào)制器4。光纖分束器3輸出與聲光調(diào)制器4相連，連續(xù)激光被斬波為脈沖激光輸出。聲光調(diào)制器4輸出與光纖放大器5相連，放大后的激光從光纖放大器輸出端8輸出。
[0033]下面是實施例中用到的關(guān)鍵元器件:
[0034]窄線寬種子源I可以為1.5微米波段輸出連續(xù)激光的窄線寬半導(dǎo)體激光器、DBR/DFB光纖激光器、固體激光器中任意一種，光譜線寬小于200kHz，偏振態(tài)為線偏振，單模保偏光纖輸出，輸出光功率I?100mW。
[0035]雙平行相位調(diào)制器2為2 X 2MZI結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)光學(xué)電光調(diào)制器，電光晶體材料可以為鈮酸鋰、鉭鈮酸鉀等。
[0036]射頻信號源3用于產(chǎn)生施加在雙平行相位調(diào)制器2上的線性頻率調(diào)制的正弦波信號，信號載波頻率1GHz，信號周期2ys，一個周期的信號由Uis帶寬2GHz的上調(diào)頻和Iys帶寬2GHz的下調(diào)頻信號組成。射頻信號源3同時用于產(chǎn)生施加在聲光調(diào)制器4上的脈沖斬波信號，信號脈沖重復(fù)頻率IkHz，脈沖持續(xù)時間2ys。
[0037]電光調(diào)制器驅(qū)動器4接收射頻信號后，將其轉(zhuǎn)換為具有足夠功率和固定相位差的兩路信號，將兩路信號和3路偏置電壓加載到雙平行相位調(diào)制器2。
[0038]光纖放大器5可以為單模光纖放大器、雙包層光纖放大器或兩者組合構(gòu)成的多級光纖放大器。線性頻率調(diào)制激光經(jīng)放大后輸出功率能夠提高激光雷達的測量距離。
[0039]激光輸出激光脈沖重復(fù)頻率IkHz，脈沖寬度2ys，線性調(diào)頻帶寬2GHz。
[0040]本發(fā)明的工作原理是:
[0041]在本發(fā)明中，所述的雙平行相位調(diào)制器為核心器件，結(jié)構(gòu)參閱圖2。調(diào)制器采用雙重并聯(lián)設(shè)計，在馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)中嵌套了兩個子MZI，形成2X2MZI結(jié)構(gòu)。只要對MZI1、MZI2、MZI3施加特定的偏置電壓，驅(qū)動MZIhMZI2的射頻信號具有特定相位延遲，雙平行相位調(diào)制器就可以實現(xiàn)單邊帶載波抑制。雙平行相位調(diào)制器實現(xiàn)了對光波移頻的功能。用線性頻率調(diào)制的射頻信號驅(qū)動雙平行相位調(diào)制器能夠?qū)崿F(xiàn)輸出光移頻量隨射頻信號變化，實現(xiàn)光頻率的線性頻率調(diào)制。
[0042]本發(fā)明的射頻信號源發(fā)射的信號關(guān)系是:
[0043]在本發(fā)明中，所述的射頻信號源分別產(chǎn)生線性頻率調(diào)制正弦波信號和脈沖斬波信號，兩個信號具有同步性的要求，相互關(guān)系參閱圖3。線性頻率調(diào)制正弦波信號的帶寬為F，周期為T，前T/2為頻率上啁啾信號，后T/2為頻率下啁啾信號，信號連續(xù)無間隔輸出。脈沖斬波信號的脈沖持續(xù)時間t等于線性頻率調(diào)制正弦波信號的周期T，t與T起始時間相同，脈沖斬波信號的一個脈沖正好包括線性頻率調(diào)制正弦波信號的一個周期或多個周期。線性頻率調(diào)制正弦波信號的重復(fù)頻率大于脈沖斬波信號的重復(fù)頻率。
[0044]本發(fā)明與“火池”雷達激光器的區(qū)別在于:
[0045]1、“火池”雷達激光器為CO2氣體激光器，本發(fā)明是光纖激光器；
[0046]2、“火池” CO2激光器是對種子光脈沖進行線性頻率調(diào)制，本發(fā)明先對激光進行線性頻率調(diào)制，再通過聲光調(diào)制器進行脈沖斬波；
[0047]3、“火池”CO2激光器采用電光體調(diào)制器實現(xiàn)線性頻率調(diào)制，本發(fā)明使用雙平行相位調(diào)制器進行調(diào)制。
[0048]4、“火池” CO2激光器的本振光未經(jīng)過線性頻率調(diào)制，本發(fā)明的本振激光在線性頻率調(diào)制后分出。
[0049]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種線性調(diào)頻單頻脈沖光纖激光器，其特征在于，所述線性調(diào)頻單頻脈沖光纖激光器包括: 窄線寬種子源，用于輸出1.5微米波長線偏振連續(xù)激光； 射頻信號源，用于產(chǎn)生與線性調(diào)頻信號同步的脈沖斬波信號，送入到電光調(diào)制器驅(qū)動器； 電光調(diào)制器驅(qū)動器，用于將線性頻率調(diào)制信號和偏置電壓加載到雙平行相位調(diào)制器； 雙平行相位調(diào)制器，與窄線寬種子源輸出端相連，對激光進行線性頻率調(diào)制； 光纖分束器，與雙平行相位調(diào)制器輸出端相連，分出小部分調(diào)制后激光作為雷達本振光； 聲光調(diào)制器驅(qū)動器，用于將脈沖斬波信號加載到聲光調(diào)制器； 聲光調(diào)制器，與光纖分束器大功率輸出端相連，將連續(xù)激光被斬波為脈沖激光輸出； 光纖放大器，與聲光調(diào)制器輸出相連，將放大后的激光輸出。2.如權(quán)利要求1所述的線性調(diào)頻單頻脈沖光纖激光器，其特征在于，所述窄線寬種子源為1.5微米波段輸出連續(xù)激光的窄線寬半導(dǎo)體激光器、DBR/DFB光纖激光器、固體激光器中任意一種，光譜線寬小于200kHz，偏振態(tài)為線偏振，單模保偏光纖輸出，輸出光功率I?10mff03.如權(quán)利要求1所述的線性調(diào)頻單頻脈沖光纖激光器，其特征在于，所述雙平行相位調(diào)制器為2X2MZI結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)光學(xué)電光調(diào)制器，電光晶體材料為鈮酸鋰、鉭鈮酸鉀。4.如權(quán)利要求1所述的線性調(diào)頻單頻脈沖光纖激光器，其特征在于，所述射頻信號源用于產(chǎn)生施加在雙平行相位調(diào)制器上的線性頻率調(diào)制的正弦波信號，信號載波頻率10GHz，信號周期2ys，一個周期的信號由Uis帶寬2GHz的上調(diào)頻和Uis帶寬2GHz的下調(diào)頻信號組成;射頻信號源同時用于產(chǎn)生施加在聲光調(diào)制器上的脈沖斬波信號，信號脈沖重復(fù)頻率IkHz，脈沖持續(xù)時間2ys。5.如權(quán)利要求1所述的線性調(diào)頻單頻脈沖光纖激光器，其特征在于，所述電光調(diào)制器驅(qū)動器接收射頻信號后，將射頻信號轉(zhuǎn)換為具有足夠功率和固定相位差的兩路信號，將兩路信號和3路偏置電壓加載到雙平行相位調(diào)制器。6.如權(quán)利要求1所述的線性調(diào)頻單頻脈沖光纖激光器，其特征在于，所述光纖放大器為單模光纖放大器、雙包層光纖放大器或兩者組合構(gòu)成的多級光纖放大器。7.如權(quán)利要求1所述的線性調(diào)頻單頻脈沖光纖激光器，其特征在于，所述激光輸出激光脈沖重復(fù)頻率IkHz，脈沖寬度2ys，線性調(diào)頻帶寬2GHz。
【文檔編號】H01S3/067GK205488990SQ201620094491
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年1月29日
【發(fā)明人】伍波, 李琨
【申請人】成都信息工程大學(xué)