CN102411141B - 一种用于混沌激光测距的混沌光发射装置 - Google Patents

Abstract

一种用于混沌激光测距的混沌光发射装置，包括在可调光衰减器和光纤反射镜间设置有三级互耦合光纤环振荡器，用于对混沌激光进行频谱整形和相关性改善；所述三级互耦合光纤环振荡器是由第一级光纤环振荡器、第二级光纤环振荡器和第三级光纤环振荡器通过第四光纤耦合器和第五光纤耦合器互联耦合构成。本发明通过在单反馈半导体激光器的反馈光路中增设一个三级互耦合光纤环振荡器，实现了大幅度、低旁瓣水平、窄半高全宽和5GHz平坦带宽的混沌激光输出，可作为混沌激光雷达和混沌光时域反射仪等混沌激光测距系统的光源。

Description

一种用于混沌激光测距的混沌光发射装置

技术领域

本发明与激光测距装置有关，具体地说，是一种用于混沌激光测距的混沌光发射装置，可用于工业生产、军事、通信、遥感等领域。

技术背景

混沌激光测距根据传输介质的不同主要分为两类：一类是用于自由空间测距的混沌激光雷达(Fanyi LIN and Jiaming LIU, Chaotic radar, IEEE Journal of Selected Topic in Quantum Electronics, 2004,10(5): 991-997),另一类是用于光纤断点检测的混沌光时域反射仪(Yuncai Wang, Bingjie Wang and Anbang Wang, Chaotic correlation optical time domain reflectometer utilizing laser diode, IEEE Photonics  technology letters, 2008,20(19):1636-1638)。两者的工作原理相同，都是将混沌激光分为探测光和参考光，探测光发射到自由空间或待测光纤中，空间目标或光纤断点回射的探测光与参考光进行互相关比较，获得探测光回射的往返时间，从而实现空间目标或光纤断点的定位检测。受益于混沌激光的宽带特性，混沌激光测距不仅可以获得与测量距离无关的厘米级分辨率，还具有天然的抗干扰性能。其测量精度取决于混沌激光自相关曲线的半高全宽（full width at half maximum，FWHM），半高全宽越窄，测量精度越高；动态范围则取决于混沌激光自相关曲线的旁瓣水平（peak sidelobe level，PSL），旁瓣水平越低，动态范围越大。因此，高性能的混沌激光雷达和混沌光时域反射仪都需要窄半高全宽和低旁瓣水平的混沌激光作为探测光。

在先前的混沌激光雷达（如专利公开号为CN1831560A的一种“基于半导体激光器的混沌激光测距方法及装置”）和混沌光时域反射仪（如专利公开号为CN101226100A的一种“混沌光时域反射仪及其测量方法”）中，混沌光发射装置均由传统的单反馈半导体激光器构成。这种结构的不足之处在于：一是混沌激光的能量在弛豫振荡频率之前的低频段（0-4GHz）非常低。这种能量按频率分布不均的特点一方面会导致混沌复杂度降低，另一方面由于接收带宽的限制，实际可利用的信号能量很低。二是单反馈半导体激光器产生的混沌激光的自相关曲线通常含有较高的旁瓣，该旁瓣对应的时间即是反馈光的延迟时间。该旁瓣有可能给混沌激光雷达和混沌光时域反射仪等混沌激光测距装置带来误判。

目前，单级光纤环振荡器已被广泛用于滤波器、延迟线、色散补偿系统、信号处理、激光陀螺仪以及各种传感器和干涉仪中。其中，2005年，C.G.H. Roeloffzen提出了一个由三个单级光纤环振荡器串联而成的三级可调谐延迟滤波器，为光时分复用通信系统提供了一个延迟时间连续可调的装置（C.G.H. Roeloffzen, L. Zhuang, R.G. Heideman, A. Borreman, and W. van Etten，“Ring resonator-based Tunable Optical Delay Line in LPCVD Waveguide Technology，” Proceedings Symposium IEEE/LEOS Benelux Chapter，2005, 79-82）。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于混沌激光测距的混沌光发射装置，实现大幅度、低旁瓣水平、窄半高全宽和5GHz平坦带宽的混沌激光输出。

为了实现上述目的，本发明所提供的一种用于混沌激光测距的混沌光发射装置，包括可调光衰减器和光纤反射镜，其特征是在可调光衰减器和光纤反射镜间设置有三级互耦合光纤环振荡器，用于对混沌激光进行频谱整形和相关性改善。

在上述技术方案中，所述三级互耦合光纤环振荡器是由第一级光纤环振荡器、第二级光纤环振荡器和第三级光纤环振荡器通过第四光纤耦合器和第五光纤耦合器互联耦合构成。所述第一级光纤环振荡器是由第一光纤耦合器、第一偏振控制器和第一光纤延迟线依次连接构成。所述第二级光纤环振荡器是由第二光纤耦合器、第二偏振控制器和第二光纤延迟线依次连接构成。所述第三级光纤环振荡器是由第三光纤耦合器、第三偏振控制器和第三光纤延迟线依次连接构成。所述的第一级光纤环振荡器、第二级光纤环振荡器和第三级光纤环振荡器的环长是10cm～100cm。所述第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、第四光纤耦合器和第五光纤耦合器的耦合比均为50:50。

本发明的一种用于混沌激光测距的混沌光发射装置，与混沌激光雷达和混沌光时域反射仪中的单反馈半导体激光器产生的混沌激光相比，具有以下优点：

本装置所产生的混沌激光波形幅度更大：在0.5GHz接收带宽的情况下；单反馈产生的混沌激光波形幅度约为3mV，而本发明产生的混沌激光波形幅度约为30mV。

本装置所产生的混沌激光频谱的低频端更为平坦：在0-5GHz范围内，单反馈产生的混沌激光频谱波动大于25dB；而本发明产生的混沌激光频谱波动小于1dB。

本装置所产生的混沌激光自相关曲线的旁瓣水平更低，半高全宽更窄：在0.5GHz接收带宽的情况下，单反馈产生的混沌激光自相关曲线的旁瓣水平为-5.44dB，半高全宽为1.16ns；而本发明产生的混沌激光自相关曲线的旁瓣水平为-11.33dB，半高全宽为0.84ns。

附图说明

图1是本发明的混沌光发射装置的结构示意图。

图2是单反馈半导体激光器产生的混沌激光的时序图。

图3是本发明产生的混沌激光的时序图。

图4是单反馈半导体激光器产生的混沌激光的频谱图。

图5是本发明产生的混沌激光的频谱图。

图6是单反馈半导体激光器产生的混沌激光的自相关曲线图。

图7是本发明产生的混沌激光的自相关曲线图。

图8是单反馈半导体激光器产生的混沌激光应用于混沌光时域反射仪的测量结果图。

图9是本发明产生的混沌激光应用于混沌光时域反射仪的测量结果图。

图中：1：半导体激光器；2：偏振控制器；3：光纤耦合器；4：可调光衰减器；5：三级互耦合光纤环振荡器；5-1：第一级光纤环振荡器；1a：第一光纤耦合器；1b：第一偏振控制器；1c：第一光纤延迟线；4a：第四光纤耦合器；5-2：第二级光纤环振荡器；2a：第二光纤耦合器；2b：第二偏振控制器；2c：第二光纤延迟线；5a：第五光纤耦合器； 5-3：第三级光纤环振荡器；3a：第三光纤耦合器；3c：第三光纤延迟线；3b：第三偏振控制器； 6：光纤反射镜；7：光隔离器。

具体实施方式

本发明所述的混沌光发射装置是一种用于混沌激光测距的混沌光发射装置，是一种在单反馈半导体激光器的反馈光路中增设一个互耦合光纤环振荡器5，从而实现大幅度、低旁瓣水平、窄半高全宽和5GHz平坦带宽的混沌激光输出的混沌光发射装置。为了更好地说明本发明，下面结合附图对本发明一种用于混沌激光测距的混沌光发射装置做出进一步的详细描述：

如图1所示：实施本发明一种用于混沌激光测距的混沌光发射装置，包括半导体激光器1、偏振控制器2、光纤耦合器3、可调光衰减器4、三级互耦合光纤环振荡器5、光纤反射镜6和光隔离器7，其中，互耦合光纤环振荡器5是由第一光纤环振荡器5-1、第二光纤环振荡器5-2和第三光纤环振荡器5-3通过第四光纤耦合器4a和第五光纤耦合器5a互联耦合而成。第一级光纤环振荡器5-1是由第一光纤耦合器1a、第一偏振控制器1b和第一光纤延迟线1c构成。第二光纤环振荡器5-2是由第二光纤耦合器2a、第二偏振控制器2b和第二光纤延迟线2c构成。第三光纤环振荡器5-3是由第三光纤耦合器3a、第三偏振控制器3b和第三光纤延迟线3c构成。第一级光纤环振荡器5-1和第二级光纤环振荡器5-2通过第四光纤耦合器4a互联耦合而成。第二级光纤环振荡器5-2和第三级光纤环振荡器5-3通过第五光纤耦合器5a互联耦合而成。具体实施方式如下：

一种用于混沌激光测距的混沌光发射装置，是将半导体激光器1的输出经偏振控制器2输入到光纤耦合器3，再经光纤耦合器3分为两路：一路经过可调光衰减器4、三级互耦合光纤环振荡器5和光纤反射镜6反馈回激光器，产生混沌激光；另一路经过光隔离器7最终输出混沌激光。

其中，偏振控制器2控制反馈光的偏振态，可调光衰减器4调节反馈光的强度， 第一光纤耦合器1a、第二光纤耦合器2a和第三光纤耦合器3a用于构成光纤环，第一偏振控制器1b、第二偏振控制器2b和第三偏振控制器3b控制光纤环振荡器中反馈光的偏振态，第一光纤延迟线1c、第二光纤延迟线2c和第三光纤延迟线3c用于改变环长，整个三级互耦合光纤环振荡器5对混沌激光进行频谱整形和相关性改善，光纤反射镜6提供反馈光，光隔离器7阻止影响激光器混沌状态的额外光反馈。

半导体激光器的偏置电流由低噪声电流源控制在33mA（1.5倍阈值电流），工作温度由温度控制器监控在20℃，此时激光器输出的光功率为1mW，中心波长为1554nm，驰豫振荡频率为2.7GHz。光纤反射镜6的反射率为99%，调节第一光纤延迟线1c、第二光纤延迟线2c和第三光纤延迟线3c，使第一级光纤环振荡器5-1、第二级光纤环振荡器5-2和第三级光纤环振荡器5-3的环长均为30cm。调节可调光衰减器4使反馈强度达到 -10dB时，输出功率为400uW的混沌激光。此时，若去掉可调光衰减器4和光纤反射镜6间的三级互耦合光纤环振荡器5，即为单反馈半导体激光器产生混沌激光的装置。

利用5GHz带宽的光电探测器（THORLABS SIR5-FC）和0.5GHz带宽、5GSa/s采样率的实时示波器（Tektronix TDS3052）分别观测本发明和单反馈半导体激光器产生的混沌激光的波形，结果如图2所示。从图中可知，在0.5GHz接收带宽的情况下，传统单反馈产生的混沌激光波形幅度约为3mV，而本发明产生的混沌激光波形幅度约为30mV，波形幅度更大。利用47GHz带宽的光电探测器（                                                XPDV2020）和26.5GHz带宽的频谱仪（HP 8563E）分别观测本发明和单反馈半导体激光器产生的混沌激光的频谱，结果如图3所示。从图中可知，在0-5GHz范围内，传统单反馈产生的混沌激光频谱波动大于25dB，而本发明产生的混沌激光频谱波动小于1dB，频谱的低频端更为平坦。图4是本发明产生的混沌激光与单反馈半导体激光器产生混沌激光的自相关曲线比较图。从图中可知，在0.5GHz接收带宽的情况下，传统单反馈产生的混沌激光自相关曲线的旁瓣水平为-5.44dB，半高全宽为1.16ns，而本发明产生的混沌激光自相关曲线的旁瓣水平为-11.33dB，半高全宽为0.84ns，旁瓣水平更低，半高全宽更窄。将本发明产生的混沌激光与单反馈半导体激光器产生的混沌激光分别作为混沌光时域反射仪的光源，在0.5GHz的接收带宽下，探测100m处的光纤断点，结果如图5所示。从图中可知，传统单反馈产生的混沌激光作为探测光对100m处的光纤断点进行探测时，信噪比（signal to noise ratio，SNR）为11.5dB，空间分辨率（spatial resolution，SR）为0.12m，而本发明产生的混沌激光对相同情况下的光纤断点进行探测时，信噪比为16.5dB，空间分辨率为0.08m，信噪比更高，空间分辨率更小。

本发明设计的光纤环振荡器之所以为三级互耦合光纤环振荡器，是因为经实验研究发现单级或多级光纤环振荡器对混沌激光的频谱整形效果有限。因此，我们设计了三级互耦合光纤环振荡器，并将其设置在单反馈半导体激光器的反馈光路中，实验结果表明三级互耦合光纤环振荡器对混沌激光的频谱整形效果更为理想，即频谱低频端更平坦，频谱波动更小。可以实现大幅度、低旁瓣水平、窄半高全宽和5GHz平坦带宽的混沌激光输出，可作为混沌激光测距的理想光源。

Claims (1)

1.一种用于混沌激光测距的混沌光发射装置，包括可调光衰减器(4)和光纤反射镜(6)；其特征是在可调光衰减器(4)和光纤反射镜(6)间设置有三级互耦合光纤环振荡器(5)，用于对混沌激光进行频谱整形和相关性改善；

所述三级互耦合光纤环振荡器(5)是由第一级光纤环振荡器(5-1)、第二级光纤环振荡器(5-2)和第三级光纤环振荡器(5-3)通过第四光纤耦合器(4a)和第五光纤耦合器(5a)互联耦合构成；

所述第一级光纤环振荡器(5-1)是由第一光纤耦合器(1a)、第一偏振控制器(1b)和第一光纤延迟线(1c)依次连接构成；

所述第二级光纤环振荡器(5-2)是由第二光纤耦合器(2a)、第二偏振控制器(2b)和第二光纤延迟线(2c)依次连接构成；

所述第三级光纤环振荡器(5-3)是由第三光纤耦合器(3a)、第三偏振控制器(3b)和第三光纤延迟线(3c)依次连接构成；

所述第一级光纤环振荡器(5-1)、第二级光纤环振荡器(5-2)和第三级光纤环振荡器(5-3)的环长是10cm～100cm；

所述第一光纤耦合器(1a)、第二光纤耦合器(2a)、第三光纤耦合器(3a)、第四光纤耦合器(4a)和第五光纤耦合器(5a)的耦合比均为50∶50。