CN108303770B - 基于高阶相位的宽视场激光信号收入光纤装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种基于高阶相位的宽视场激光信号收入光纤装置及方法，该装置设置于光学系统馈源处，包括转换器件和目标光纤，其中，宽视场的激光信号通过转换器件在空间插入高阶相位后，收入至所述目标光纤中，其中，高阶相位为二阶及二阶以上相位。基于该装置进一步提供了一种基于高阶相位的宽视场激光信号收入光纤方法。本公开对激光信号在空间插入高阶相位，使宽视场激光信号被收入目标光纤，实现波束展宽功能。

Description

基于高阶相位的宽视场激光信号收入光纤装置及方法
技术领域
本公开涉及激光信号收入光纤技术领域，尤其涉及一种基于高阶相位的宽视场激光信号收入光纤装置及方法。
背景技术
在采用光纤混频的相干体制激光雷达，特别是合成孔径激光雷达中，扩大瞬时观测视场具有重要意义。
现阶段激光雷达多采用面阵或线阵探测器的接收方式扩大接收视场，这种接收方式具备高的空间角分辨率，但由于需使用光电探测器阵列和多个通道信号处理，数据量较大，若用于和本振的外差相干探测，则技术实现难度很大。
合成孔径激光雷达(SAL)不要求具有高的空间角分辨率，具备采用一个光电探测器或少量探测器实现宽视场激光信号接收的使用条件。若激光信号能被收入光纤，则SAL相干探测所需的混频及后续信号处理在结构实现上较为简单。由于光纤的数值孔径较小，从几何光学的角度考虑，通常认为在宽视场条件下将激光信号收入光纤比较困难。对SAL，其相干探测需利用单模保偏光纤实现，单模保偏光纤的数值孔径更小，在宽视场条件下将激光信号收入光纤难度更大。解决上述问题需要提出新的技术途径。
近年来，激光相控阵技术发展迅速，其主要被应用于图像快速扫描，多通道光通信，波束形状控制，多波束形成以及超大孔径超高功率激光输出等。目前，光纤相控阵技术方案的分类主要依据其所选用的材料，包括LiNbO3，PLZT，A1GaAs波导和LC液晶等。和微波相控阵天线类似，激光相控阵可被直接用于光学系统馈源处以实现大视场激光信号收入光纤，但是目前该技术仍处于发展阶段，尚不能满足实际工程应用的需要，主要原因是目前主流的光学相控阵器件不能兼备快速响应和低电压工作需求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种基于高阶相位的宽视场激光信号收入光纤装置及方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种基于高阶相位的宽视场激光信号收入光纤装置，设置于光学系统馈源处，包括转换器件和目标光纤，其中，宽视场的激光信号通过转换器件在空间插入高阶相位后，收入至目标光纤中，其中，高阶相位为二阶及二阶以上相位。
在本公开的一些实施例中，转换器件为带有移相器的一维纳米光波导阵列，激光信号通过所述一维纳米光波导阵列传输，并经移相器进行高阶相位调制后，收入至目标光纤。
在本公开的一些实施例中，转换器件为空间高阶相位形成器件和一维纳米光波导阵列的组合或者空间高阶相位形成器件和光纤准直器的组合，激光信号经空间高阶相位形成器件进行高阶相位调制后，通过一维纳米光波导阵列或者光纤准直器收入至目标光纤。
在本公开的一些实施例中，空间高阶相位形成器件包括高阶相位透镜、相位型空间光调制器或者二元光学器件。
在本公开的一些实施例中，空间高阶相位形成器件可和光纤准直器进行一体化集成设计，实现波前控制。
根据本公开的另一个方面，提供了一种基于高阶相位的宽视场激光信号收入光纤方法，包括：在光学系统馈源处设置宽视场的自由空间到目标光纤的转换器件，通过转换器件对激光信号在空间插入高阶相位，以使宽视场激光信号被收入目标光纤，其中，高阶相位为二阶及二阶以上相位。
在本公开的一些实施例中，转换器件为带有移相器的一维纳米光波导阵列，激光信号通过一维纳米光波导阵列传输，并经移相器进行高阶相位调制后，收入至目标光纤；或者
转换器件为空间高阶相位形成器件和一维纳米光波导阵列的组合或者空间高阶相位形成器件和光纤准直器的组合，激光信号经空间高阶相位形成器件进行高阶相位调制后，通过一维纳米光波导阵列或者光纤准直器收入至目标光纤。
在本公开的一些实施例中，空间高阶相位形成器件包括高阶相位透镜、相位型空间光调制器或者二元光学器件。
在本公开的一些实施例中，高阶相位的值固定不变。
在本公开的一些实施例中，高阶相位的值以360°的整数倍为周期折叠，且被量化。
在本公开的一些实施例中，高阶相位为二阶相位、三阶相位。
在本公开的一些实施例中，激光信号的波长范围为0.532～10.6μm。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开基于高阶相位的宽视场激光信号收入光纤装置及方法至少具有以下有益效果其中之一：
(1)在光学系统馈源处使用宽视场的自由空间到光纤的转换器件，通过插入高阶相位实现不同视场角的激光信号均能被收入光纤，等效实现相控阵天线通过在阵列插入高阶相位以达到的波束展宽功能。
(2)使用的高阶相位形成器件制造技术相对成熟，量化位数已能达到8位以上，而量化位数越高，波束展宽效果越好。
(3)插入的高阶相位以360°的整数倍为周期折叠，且被量化，便于技术实现和减少损耗。
附图说明
图1为本公开基于高阶相位的宽视场激光信号收入光纤示意图。
图2为与图1等效的基于相控阵天线的宽视场激光信号收入光纤示意图。
图3为本公开第一实施例带有移相器的一维纳米光波导阵列示意图。
图4为本公开第二实施例一维纳米光波导阵列和空间高阶相位形成器件组合的宽视场激光信号收入光纤示意图。
图5为本公开第三实施例光纤准直器和空间高阶相位形成器件组合的宽视场激光信号收入光纤示意图。
图6(a)为本公开理想高阶相位示意图。
图6(b)为本公开插入理想高阶相位的视场展宽效果图。
图6(c)为本公开8值化(量化位数3位)高阶相位示意图。
图6(d)为本公开插入8值化高阶相位的视场展宽效果图。
图6(e)为本公开4值化(量化位数2位)高阶相位示意图。
图6(f)为本公开插入4值化高阶相位的视场展宽效果图。
图7(a)为本公开激光信号收入光纤仿真测试时插入的二阶相位示意图。
图7(b)为本公开激光信号收入光纤仿真测试时插入二阶相位的视场展宽效果图。
图7(c)为本公开激光信号收入光纤仿真测试时目标方位角示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1-转换器件；
11-移向器； 12-一维纳米光波导阵列；
13-空间高阶相位形成器件； 14-光纤准直器；
2-光纤；
3-相控阵天线；
4-聚焦透镜。
具体实施方式
微波相控阵天线常在阵列上插入时变的线性相位以进行波束扫描，同理，也可在阵列上插入高阶相位以实现波束展宽，从原理上讲，波束展宽的范围可以达到波束扫描的范围。本公开将相控阵天线实现波束展宽的原理应用于宽视场激光信号收入光纤，提供了一种基于高阶相位的宽视场激光信号收入光纤装置及方法，在光学系统馈源处使用宽视场的自由空间到光纤的转换器件，对激光信号在空间插入高阶相位，使宽视场激光信号被收入目标光纤，实现波束展宽功能。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开提供了一种基于高阶相位的宽视场激光信号收入光纤装置及方法，以下首先对基于高阶相位的宽视场激光信号收入光纤装置作详细说明。
图1为本公开基于高阶相位的宽视场激光信号收入光纤示意图。如图1所示，本公开一种基于高阶相位的宽视场激光信号收入光纤装置，其设置于光学系统馈源处，包括转换器件2和目标光纤1，其中，转换器件2例如可设置于如图2所示的聚焦透镜4的后方，宽视场的激光信号经如图2所示的聚焦透镜4透射后，通过该转换器件在空间插入高阶相位后，收入至目标光纤1中，其中，高阶相位为二阶及二阶以上相位，典型的高阶相位如二阶和三阶相位。如图2所示，利用该转换器件可等效实现相控阵天线3通过在阵列插入高阶相位以达到的波束展宽功能，相控阵天线3位于光学系统馈源处。
在本公开的第一个示例性实施例中，该转换器件为带有移相器的一维纳米光波导阵列，其光路结构如图3所示，宽视场激光信号通过该一维纳米光波导阵列传输，并经所述移相器进行高阶相位调制后，收入至目标光纤，该转换器件主要用于一维(即一个方向)的波束展宽。
当展宽波束需要改变时，可通过移相器对该高阶相位进行调整，当展宽波束无需改变时，可通过移相器控制高阶相位固定不变即可。
在本公开的第二个示例性实施例中，该转换器件为空间高阶相位形成器件13和一维纳米光波导阵列12的组合，其光路结构如图4所示，宽视场的激光信号经该空间高阶相位形成器件13进行高阶相位调制后，通过一维纳米光波导阵列12收入至目标光纤2，该转换器件主要用于一维(即一个方向)的波束展宽。
该高阶相位形成器件13包括高阶相位透镜、相位型空间光调制器或者二元光学器件，此时，插入的高阶相位固定不变，进而展宽的波束也不会改变。进一步该高阶相位形成器件可和光纤准直器一体化集成设计，实现波前控制，将宽视场激光信号收入光纤。
在本公开的第三个示例性实施例中，该转换器件为空间高阶相位形成器件13和光纤准直器14的组合，其光路结构如图5所示，激光信号经该空间高阶相位形成器件13进行高阶相位调制后，通过一维纳米光波导阵列12收入至目标光纤2。
该高阶相位形成器件13的结构和功能与第二示例性实施例中一致，故在此不作赘述。
至此，已对本公开基于高阶相位的宽视场激光信号收入光纤装置介绍完毕。以下对本公开基于高阶相位的宽视场激光信号收入光纤方法作详细说明。
如图1和2所示，本公开一种基于高阶相位的宽视场激光信号收入光纤方法，包括：在光学系统馈源处设置宽视场的自由空间到目标光纤的转换器件，通过该转换器件对激光信号在空间插入高阶相位，以使宽视场激光信号被收入目标光纤，等效实现相控阵天线通过在阵列插入高阶相位以达到的波束展宽功能。
该转换器件可为带有移相器的一维纳米光波导阵列，空间高阶相位形成器件和一维纳米光波导阵列的组合或者空间高阶相位形成器件和光纤准直器的组合，其具体的结构、功能与上述对基于高阶相位的宽视场激光信号收入光纤装置的描述相同，在此不作赘述。
其中，前述的高阶相位为二阶及二阶以上相位，典型的高阶相位如二阶和三阶相位。高阶相位量可基于相控阵天线波束展宽原理和信号模型计算得到，可以360°的整数倍为周期折叠，且可被量化，便于技术实现和减少损耗。
激光信号的波长范围可介于0.532～10.6μm。
图6(a)、6(c)和6(e)分别示出理想高阶相位、8值化高阶相位和4值化高阶相位，图6(b)、6(d)和6(f)分别为经理想高阶相位、8值化高阶相位和4值化高阶相位加权的天线方向图，示出波束展宽效果，从图中可知，量化位数越高，波束展宽效果越好。目前相位型空间光调制器和二元光学器件的制造技术相对成熟，且量化位数已达到8位以上，能够满足本公开方法的要求。
如图7(a)至7(b)所示，在光学系统馈源处10mm尺寸光纤准直器前插入约90rad的二阶相位，在激光波长1.55μm的情况下，激光信号接收视场由170urad展宽为17mrad(展宽了100倍，增益降低20dB)。下表1为对图7(c)中三个不同视场角(即方位角-0.3°、0°、0.3°)的激光信号仿真测试结果，可知经二阶相位插入后的三个不同视场角的激光信号可被同时收入光纤，其信号强度比视场展宽前小，由于光学系统接收增益主要取决于主接收望远镜尺寸，此馈源处信号强度小不影响本公开的应用。
表1
Figure BDA0001578905680000071
至此，已对本公开基于高阶相位的宽视场激光信号收入光纤方法介绍完毕。
综上所述，本公开提供一种基于高阶相位的宽视场激光信号收入光纤装置及方法，在光学系统馈源处使用宽视场的自由空间到光纤的转换器件，对激光信号在空间插入高阶相位，使宽视场激光信号被收入目标光纤，可有效实现宽视场激光信号收入光纤，在采用光纤混频的相干体制激光雷达特别是合成孔径激光雷达扩大瞬时观测视场等技术领域具有重要应用价值。
还需要说明的是，附图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于高阶相位的宽视场激光信号收入光纤装置，设置于光学系统馈源处，包括转换器件和目标光纤，其中，宽视场的激光信号通过所述转换器件在空间插入高阶相位后，收入至所述目标光纤中，其中，所述高阶相位为二阶及二阶以上相位；
所述转换器件为带有移相器的一维纳米光波导阵列，或者所述转换器件为空间高阶相位形成器件和一维纳米光波导阵列的组合，或者所述转换器件为空间高阶相位形成器件和光纤准直器的组合；
其中所述空间高阶相位形成器件包括高阶相位透镜、相位型空间光调制器或二元光学器件。
2.根据权利要求1所述的宽视场激光信号收入光纤装置，其中，所述转换器件为带有移相器的一维纳米光波导阵列，激光信号通过所述一维纳米光波导阵列传输，并经所述移相器进行高阶相位调制后，收入至目标光纤。
3.根据权利要求1所述的宽视场激光信号收入光纤装置，其中，所述转换器件为空间高阶相位形成器件和一维纳米光波导阵列的组合或者空间高阶相位形成器件和光纤准直器的组合，激光信号经所述空间高阶相位形成器件进行高阶相位调制后，通过所述一维纳米光波导阵列或者光纤准直器收入至目标光纤。
4.根据权利要求1所述的宽视场激光信号收入光纤装置，其中，所述空间高阶相位形成器件和所述光纤准直器一体化集成设计，实现波前控制。
5.一种基于高阶相位的宽视场激光信号收入光纤方法，包括：
在光学系统馈源处设置宽视场的自由空间到目标光纤的转换器件，通过所述转换器件对激光信号在空间插入高阶相位，以使宽视场激光信号被收入目标光纤，其中，所述高阶相位为二阶及二阶以上相位；
所述转换器件为带有移相器的一维纳米光波导阵列，或者所述转换器件为空间高阶相位形成器件和一维纳米光波导阵列的组合，或者所述转换器件为空间高阶相位形成器件和光纤准直器的组合；
其中所述空间高阶相位形成器件包括高阶相位透镜、相位型空间光调制器或二元光学器件。
6.根据权利要求5所述的宽视场激光信号收入光纤方法，其中：所述转换器件为带有移相器的一维纳米光波导阵列，激光信号通过所述一维纳米光波导阵列传输，并经所述移相器进行高阶相位调制后，收入至目标光纤；或者
所述转换器件为空间高阶相位形成器件和一维纳米光波导阵列的组合或者空间高阶相位形成器件和光纤准直器的组合，激光信号经所述空间高阶相位形成器件进行高阶相位调制后，通过所述一维纳米光波导阵列或者光纤准直器收入至目标光纤。
7.根据权利要求5或6所述的宽视场激光信号收入光纤方法，其中：
所述高阶相位的值固定不变；或
所述高阶相位的值以360°的整数倍为周期折叠，且被量化；或
所述高阶相位为二阶相位、三阶相位。
8.根据权利要求5或6所述的宽视场激光信号收入光纤方法，其中，所述激光信号的波长范围为0.532～10.6μm。
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