一種線性調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、電光調制器驅動器、雙平行相位調制器、光纖分束器、聲光調制器驅動器、聲光調制器、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結構雙平行相位調制器寬帶線性頻率調制，聲光調制器脈沖斬波，光纖放大器高峰值功率輸出。本實用新型具有峰值功率高，調制帶寬大、調制速度快、調頻線性度高、結構簡單、全光纖化、人眼安全、線偏振輸出的特點，能夠滿足遠程高分辨率測距測速激光雷達的對激光光源的應用要求，可用于遠程相干測距、合成孔徑/逆合成孔徑激光雷達、空間態勢感知等領域。
【專利說明】
一種線性調頻單頻脈沖光纖激光器
技術領域
[0001]本發明屬于激光雷達技術領域，尤其涉及一種線性調頻單頻脈沖光纖激光器。
【背景技術】
[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，要求發射的激光信號具有大時寬帶寬特征。線性調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中采用的線性頻率調制連續波技術，從激光持續時間來說，也存在激光連續發射和脈沖發射兩種情形。即使是脈沖發射情形，脈沖的持續時間也必須遠大于目標物體回波信號的飛行時間，好處是可以實現對高調制頻率的降頻處理，獲得低的中頻信號，降低信號處理難度。但是在激光連續輸出和寬脈沖輸出條件下，不可能實現高峰值功率，難以滿足實際應用中的遠程測量要求，同時極低的重復頻率也不滿足高速目標測量的幀頻要求。因此在遠程高精度測量系統中要求采用大能量、線性調頻短脈沖相干激光光源。線性頻率調制脈沖相干探測技術具有代表性的研究成果是美國麻省理工學院林肯實驗室“火池” CO2激光雷達成像。“火池”光學裝置用于長距離觀測衛星、飛機和陸地目標等。1990年，“火池” ω2激光雷達發射6Hz重復頻率、由一串32個寬度Iys、線性調頻帶寬IGHz上啁啾信號組成的包絡寬度32ys的激光脈沖，成功地獲取了世界上首幅軌道衛星精細的距離一多普勒圖像。線性調頻信號調制函數是連續的，屬于“連續型”信號，而相位編碼信號，其相位調制函數是離散的有限狀態，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制。其調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，采用內部脈沖相位編碼展寬波形帶寬為7GHz，實現2cm的距離分辨率。在20ns的脈沖幅度包絡內脈內相位調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。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種線性調頻單頻脈沖光纖激光器，旨在提供一種具有峰值功率高、調制帶寬大、調制速度快、調頻線性度高、結構簡單、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構的線性頻率調制單頻脈沖光纖激光器。
[0005]本發明是這樣實現的，一種線性調頻單頻脈沖光纖激光器，所述線性調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激光；
[0007]射頻信號源，用于產生與線性調頻信號同步的脈沖斬波信號，送入到電光調制器驅動器；
[0008]電光調制器驅動器，用于將線性頻率調制信號和偏置電壓加載到雙平行相位調制器；
[0009]雙平行相位調制器，與窄線寬種子源輸出端相連，對激光進行線性頻率調制；
[0010]光纖分束器，與雙平行相位調制器輸出端相連，分出小部分調制后激光作為雷達本振光；
[0011]聲光調制器驅動器，用于將脈沖斬波信號加載到聲光調制器；
[0012]聲光調制器，與光纖分束器輸出相連，將連續激光被斬波為脈沖激光輸出；
[0013]光纖放大器，與聲光調制器輸出相連，將放大后的激光輸出。
[0014]進一步，所述窄線寬種子源為1.5微米波段輸出連續激光的窄線寬半導體激光器、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，所述雙平行相位調制器2為2X2MZI結構的波導光學電光調制器，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生施加在雙平行相位調制器上的線性頻率調制的正弦波信號，信號載波頻率10GHz，信號周期2ys，一個周期的信號由Uis帶寬2GHz的上調頻和Iys帶寬2GHz的下調頻信號組成;射頻信號源同時用于產生施加在聲光調制器上的脈沖斬波信號，信號脈沖重復頻率1kHz，脈沖持續時間2ys。
[0017]進一步，所述電光調制器驅動器接收射頻信號后，將射頻信號轉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頻率IkHz，脈沖寬度2ys，線性調頻帶寬2GHz。
[0020]本發明的另一目的在于提供一種包含所述線性調頻單頻脈沖光纖激光器的遠程相干測距系統。
[0021]本發明的另一目的在于提供一種包含所述線性調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。
[0022]本發明的另一目的在于提供一種包含述線性調頻單頻脈沖光纖激光器的空間態勢感知系統。
[0023]本發明提供的線性調頻單頻脈沖光纖激光器，本發明相比現有技術有如下有益效果:
[0024]本發明具有窄線寬的特點，在窄線寬種子源激光腔外實現頻率調制，在調頻過程中保留種子源的窄線寬特性;本發明具有調制帶寬大的特點，調制帶寬由雙平行相位調制器的調制帶寬決定，目前可以實現I?18GHz帶寬范圍的調制，超過已報道的固體激光器的線性調頻范圍。本發明具有調制速度快的特點，在窄線寬種子源激光腔外實現頻率調制，調制速度由射頻信號源輸出波形變化速率決定。本發明具有調頻線性度高的特點，雙平行相位調制器是波導光學器件，調制電壓低于13V，調頻線性度不受電子元器件壓擺率限制，調頻線性度遠高于采用電光晶體內調制方案的固體激光器。本發明具有結構簡單的特點，由雙平行相位調制器實現線性頻率調制，從調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，不需要進行光學濾波。本發明輸出激光具有人眼安全的特點;本發明采用的光學元器件帶尾纖輸出，激光器結構具有全光纖化的特點；本發明具有輸出線偏振激光的特點。本發明具有高峰值功率輸出的特點。本發明能夠滿足遠程高分辨率測距測速激光雷達的對激光光源的應用要求，可用于遠程相干測距、合成孔徑/逆合成孔徑激光雷達、空間態勢感知等領域。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發明實施例提供的線性調頻單頻脈沖光纖激光器結構示意圖；
[0026]圖中:1、窄線寬種子源;2、雙平行相位調制器;3、光纖分束器;4、聲光調制器;5、光纖放大器;6、射頻信號源；7、電光調制器驅動器;8、聲光調制器驅動器;9、光纖分束器輸出端;1、光纖放大器輸出端。
[0027]圖2是本發明實施例提供的是雙平行相位調制器的原理結構圖。
[0028]圖3是本發明實施例提供的射頻信號源發射的線性調頻信號和脈沖斬波信號關系圖。
【具體實施方式】
[0029]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0030]下面結合附圖對本發明的應用原理作詳細的描述。
[0031 ]參閱圖1，線性頻率調制單頻脈沖光纖激光器構成包括:窄線寬種子源1、雙平行相位調制器2、光纖分束器3、聲光調制器4、光纖放大器5、射頻信號源6、電光調制器驅動器7、聲光調制器驅動器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激光。射頻信號源3產生線性頻率調制信號，送入到電光調制器驅動器7，電光調制器驅動器7將線性頻率調制信號和偏置電壓加載到雙平行相位調制器2。窄線寬種子源I輸出端和雙平行相位調制器2相連，激光在雙平行相位調制器2發生線性頻率調制。雙平行相位調制器2輸出端與光纖分束器3相連，光纖分束器輸出端9輸出部分調制后的激光作為雷達本振光。射頻信號源3產生與線性調頻信號同步的脈沖斬波信號，送入到聲光調制器驅動器8，聲光調制器驅動器8將脈沖斬波信號加載到聲光調制器4。光纖分束器3輸出與聲光調制器4相連，連續激光被斬波為脈沖激光輸出。聲光調制器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微米波段輸出連續激光的窄線寬半導體激光器、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]雙平行相位調制器2為2 X 2MZI結構的波導光學電光調制器，電光晶體材料可以為鈮酸鋰、鉭鈮酸鉀等。
[0036]射頻信號源3用于產生施加在雙平行相位調制器2上的線性頻率調制的正弦波信號，信號載波頻率1GHz，信號周期2ys，一個周期的信號由Uis帶寬2GHz的上調頻和Iys帶寬2GHz的下調頻信號組成。射頻信號源3同時用于產生施加在聲光調制器4上的脈沖斬波信號，信號脈沖重復頻率IkHz，脈沖持續時間2ys。
[0037]電光調制器驅動器4接收射頻信號后，將其轉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成的多級光纖放大器。線性頻率調制激光經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頻率IkHz，脈沖寬度2ys，線性調頻帶寬2GHz。
[0040]本發明的工作原理是:
[0041]在本發明中，所述的雙平行相位調制器為核心器件，結構參閱圖2。調制器采用雙重并聯設計，在馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)中嵌套了兩個子MZI，形成2X2MZI結構。只要對MZI1、MZI2、MZI3施加特定的偏置電壓，驅動MZIhMZI2的射頻信號具有特定相位延遲，雙平行相位調制器就可以實現單邊帶載波抑制。雙平行相位調制器實現了對光波移頻的功能。用線性頻率調制的射頻信號驅動雙平行相位調制器能夠實現輸出光移頻量隨射頻信號變化，實現光頻率的線性頻率調制。
[0042]本發明的射頻信號源發射的信號關系是:
[0043]在本發明中，所述的射頻信號源分別產生線性頻率調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，相互關系參閱圖3。線性頻率調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，信號連續無間隔輸出。脈沖斬波信號的脈沖持續時間t等于線性頻率調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制正弦波信號的一個周期或多個周期。線性頻率調制正弦波信號的重復頻率大于脈沖斬波信號的重復頻率。
[0044]本發明與“火池”雷達激光器的區別在于:
[0045]1、“火池”雷達激光器為CO2氣體激光器，本發明是光纖激光器；
[0046]2、“火池” CO2激光器是對種子光脈沖進行線性頻率調制，本發明先對激光進行線性頻率調制，再通過聲光調制器進行脈沖斬波；
[0047]3、“火池”CO2激光器采用電光體調制器實現線性頻率調制，本發明使用雙平行相位調制器進行調制。
[0048]4、“火池” CO2激光器的本振光未經過線性頻率調制，本發明的本振激光在線性頻率調制后分出。
[0049]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種線性調頻單頻脈沖光纖激光器，其特征在于，所述線性調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激光； 射頻信號源，用于產生與線性調頻信號同步的脈沖斬波信號，送入到電光調制器驅動器； 電光調制器驅動器，用于將線性頻率調制信號和偏置電壓加載到雙平行相位調制器； 雙平行相位調制器，與窄線寬種子源輸出端相連，對激光進行線性頻率調制； 光纖分束器，與雙平行相位調制器輸出端相連，分出小部分調制后激光作為雷達本振光； 聲光調制器驅動器，用于將脈沖斬波信號加載到聲光調制器； 聲光調制器，與光纖分束器大功率輸出端相連，將連續激光被斬波為脈沖激光輸出； 光纖放大器，與聲光調制器輸出相連，將放大后的激光輸出。2.如權利要求1所述的線性調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微米波段輸出連續激光的窄線寬半導體激光器、DBR/DFB光纖激光器、固體激光器中任意一種，光譜線寬小于200kHz，偏振態為線偏振，單模保偏光纖輸出，輸出光功率I?10mff03.如權利要求1所述的線性調頻單頻脈沖光纖激光器，其特征在于，所述雙平行相位調制器為2X2MZI結構的波導光學電光調制器，電光晶體材料為鈮酸鋰、鉭鈮酸鉀。4.如權利要求1所述的線性調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生施加在雙平行相位調制器上的線性頻率調制的正弦波信號，信號載波頻率10GHz，信號周期2ys，一個周期的信號由Uis帶寬2GHz的上調頻和Uis帶寬2GHz的下調頻信號組成;射頻信號源同時用于產生施加在聲光調制器上的脈沖斬波信號，信號脈沖重復頻率IkHz，脈沖持續時間2ys。5.如權利要求1所述的線性調頻單頻脈沖光纖激光器，其特征在于，所述電光調制器驅動器接收射頻信號后，將射頻信號轉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制器。6.如權利要求1所述的線性調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成的多級光纖放大器。7.如權利要求1所述的線性調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頻率IkHz，脈沖寬度2ys，線性調頻帶寬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
【發明人】伍波, 李琨
【申請人】成都信息工程大學