CN115561737A - 基于多芯光纤接收信号光的激光雷达 - Google Patents

基于多芯光纤接收信号光的激光雷达 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于多芯光纤接收信号光的激光雷达，包括：激光雷达接收芯片、多芯光纤以及耦合装置，耦合装置将多芯光纤接收的光信号耦合至激光雷达接收芯片中；激光雷达接收芯片内设置功率组合装置，功率组合装置将耦合装置耦合进入芯片的各路信号光合并为一路并输出。功率组合装置结合多芯光纤构造出激光雷达的信号光接收系统，不仅提升耦合效率，而且实现信号光功率的提升；基于成熟的基础单元器件构造功率组合装置，使得激光雷达接收方案成本可控，且稳定性高，同时具有可扩展性。

Description

基于多芯光纤接收信号光的激光雷达
技术领域
本发明涉及测距雷达技术领域，尤其涉及一种基于多芯光纤接收信号光的激光雷达。
背景技术
基于光芯片的频率调制连续波(FMCW，Frequency Modulated Continuous Wave)激光雷达接收方案中，通常需要使用准直器或类似器件将返回的光信号耦合到一根单模光纤中，再将光信号从光纤耦合到光芯片中。上述接收方式由于单模光纤的收光面积太小，使得信号光通过准直透镜耦合至单模光纤时具有较大的功率损耗，极大影响激光雷达的性能。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于多芯光纤接收信号光的激光雷达。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种基于多芯光纤接收信号光的激光雷达，包括：激光雷达接收芯片，还包括：多芯光纤以及耦合装置，所述耦合装置将所述多芯光纤接收的光信号耦合至所述激光雷达接收芯片中；所述激光雷达接收芯片内设置功率组合装置，所述功率组合装置将所述耦合装置耦合进入芯片的各路信号光合并为一路并输出。
在一实施例中，所述耦合装置包括：扇入扇出器件、光纤阵列以及若干单模光纤；在所述多芯光纤的输出端通过所述扇入扇出器件，将所述多芯光纤内各纤芯中的光信号分别耦合至各个所述单模光纤中，并通过所述光纤阵列与所述激光雷达接收芯片的端面耦合器阵列进行对准。
在一实施例中，所述耦合装置包括：光栅耦合器阵列以及若干光波导；所述光栅耦合器阵列的排布方式与所述多芯光纤内各纤芯位置相一致，以使得所述多芯光纤内各纤芯通过垂直耦合的方式将各纤芯与各光栅耦合器进行对准。
在一实施例中，所述功率组合装置由若干呈多级次连接的功率组合单元组成；所述多级次连接是指，处于高级次的功率组合单元的两个输入端分别与处于低级次的两个相邻的功率组合单元的输出端连接。
在一实施例中，所述功率组合单元包括：第一热调相器、第二热调相器以及依次连接的第一2×2耦合器与第二2×2耦合器；所述第一热调相器使得所述功率组合单元的两路输入经过所述第一2×2耦合器后的两路输出具有相同的功率值；所述第二热调相器使得所述第一2×2耦合器的两路输出具有
Figure BDA0003913131710000021
的相位差，且所述第二2×2耦合器的其中一路输出功率为0，另一路输出的功率为所述第一2×2耦合器的两路输出功率值之和。
在一实施例中，所述激光雷达接收芯片还包括：光电信息处理单元以及若干光电探测器；所述第二2×2耦合器的其中一个输出端与所述光电探测器连接，另一个输出端与更高级次的功率组合单元连接，且位于最高级次的所述第二2×2耦合器的另一输出端与所述光电信息处理单元连接。
在一实施例中，所述的基于多芯光纤接收信号光的激光雷达，还包括：准直器；所述准直器将收集的光信号聚焦之后照射在所述多芯光纤的截面上。
在一实施例中，所述的基于多芯光纤接收信号光的激光雷达，还包括：激光雷达发射芯片；所述激光雷达发射芯片发射光信号，经待测物体反射后入射至所述准直器，且所述激光雷达发射芯片产生一路本振光并输入至所述激光雷达接收芯片。
本发明所带来的有益效果：
1.功率组合装置结合多芯光纤构造出激光雷达的信号光接收系统，不仅提升耦合效率，而且实现信号光功率的提升；
2.基于成熟的基础单元器件构造功率组合装置，使得激光雷达接收方案成本可控，且稳定性高；
3.具有可扩展性，当使用多根多芯光纤或是使用更多纤芯的多芯光纤时，可以通过增加激光雷达接收芯片的光路规模，与纤芯路数进行匹配，进一步提高接收功率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是单模多芯光纤的截面示意图；
图2是本发明激光雷达接收信号光的原理图；
图3是本发明其中一种耦合装置的示意图；
图4是本发明另一种耦合装置的示意图；
图5是本发明激光雷达接收芯片的示意图；
图6是本发明功率组合单元的示意图；
图7是功率组合装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如前所述，现有激光雷达发射光束后使用准直器接收返回的信号光并耦合至光纤中。在实际场景中，准直透镜到信号光的耦合效率较低，而激光雷达需要一定的信号光功率才能实现探测功能。因此，如图1-7所示，本发明提供一种基于多芯光纤接收信号光的激光雷达，提高接收效率以及信号光的功率，以克服上述技术问题。
在一些说明性的实施例中，如图2所示，基于多芯光纤接收信号光的激光雷达，包括：激光雷达接收芯片1、多芯光纤2、耦合装置3、准直器4、激光雷达发射芯片5。
本实施例利用单模多芯光纤(简称多芯光纤2)代替单根单模光纤的接收方式，来增大信号光由准直器4耦合至光纤的耦合效率，同时配合激光雷达接收芯片1上的特殊光路设置，实现信号光功率的提升。
如图1所示，多芯光纤2是一种在共同包层201区域中存在多个独立纤芯202的光纤，标准的多芯光纤分为四芯与七芯，本文以七芯光纤进行举例说明基于多芯光纤的FMCW激光雷达的接收过程，具体包括：
首先，激光雷达发射芯片5发射光信号，经待测物体6反射后入射至准直器4，且激光雷达发射芯片5产生一路本振光并输入至激光雷达接收芯片1。
然后，准直器4将收集的光信号聚焦之后照射在多芯光纤2的截面上。利用多芯光纤2代替单根单模光纤的接收方式，相较于传统的单模光纤(125微米直径的包层范围内只有一个纤芯)，可使得多个纤芯同时接收光信号，从而成倍的提高光信号经准直器4合至光纤的耦合效率，提升的功率倍数与增加的纤芯数量相同。
然后，耦合装置3将多芯光纤2接收的光信号耦合至激光雷达接收芯片1中，即多芯光纤2的输出端通过耦合装置3将光信号耦合至激光雷达接收芯片1中。
最后，通过激光雷达接收芯片1上的光路设置与相位控制，将7路光信号的功率进行叠加组合，最终汇聚为一路较高功率的信号光，与本振光一起参与激光雷达接收芯片1上后续的光电处理过程。
其中，多芯光纤到光芯片的耦合方案有两种：
第一种耦合方案：如图3所示，耦合装置3包括：扇入扇出器件301、光纤阵列302以及若干单模光纤303。
单模光纤303的数量与多芯光纤2的纤芯数量一致并一一对应。在多芯光纤2的输出端通过扇入扇出器件301，将多芯光纤2内各纤芯中的光信号分别耦合至各个单模光纤303中，并通过光纤阵列302与激光雷达接收芯片1的端面耦合器阵列101进行对准，以端面耦合的方式将光信号耦合至激光雷达接收芯片1中。上述方式采用现有的基础器件实现光信号的耦合，具有传输稳定，且成本低的优势。
第二种耦合方案：如图4所示，耦合装置3包括：光栅耦合器阵列以及若干光波导304。其中，光栅耦合器阵列由若干光栅耦合器305组成，光栅耦合器305的数量与多芯光纤2的纤芯数量一致并一一对应。
具体的，光栅耦合器阵列的排布方式与多芯光纤2内各纤芯位置相一致，以使得多芯光纤2内各纤芯通过垂直耦合的方式将各纤芯与光栅耦合器阵列内的各光栅耦合器305进行对准。
根据多芯光纤2中纤芯的排布规律，在激光雷达接收芯片1上设置相同排布的光栅耦合器阵列，这样可以通过垂直耦合的方式，将多芯光纤2与光栅耦合器305进行对准，同时将7路纤芯中的光耦合至芯片中。上述方式在保证传输稳定的前提下，相较于第一种耦合方案，具有体积小、效率高的优势。
如图5所示，激光雷达接收芯片1内设置功率组合装置，功率组合装置将耦合装置3耦合进入激光雷达接收芯片1内的各路信号光合并为一路并输出，合并输出的高功率信号光与激光雷达发射芯片5产生的本振光一起参与激光雷达接收芯片1上后续的光电处理过程。
功率组合装置由若干呈多级次连接的功率组合单元102组成。其中，多级次连接是指，处于高级次的功率组合单元102的两个输入端分别与处于低级次的两个相邻的功率组合单元102的输出端连接。
如图7所示，可以将功率组合装置内的各个功率组合单元102划分为多个级次，例如以7路光信号为例，可分为第一级、第二级、第三级。处于第一级的每两个功率组合单元102的其中一输出端分别与第二级中的功率组合单元102的两个输入端连接；处于第二级的两个功率组合单元102的其中一输出端与第三级中的功率组合单元102的两个输入端连接。其中，由于光信号的路数为7，为单数，所以处于第二级中的一个功率组合单元102的其中一输入端直接输入一路信号。
7路耦合至激光雷达接收芯片1上的信号光，由图5、图7中所示的组合方式，通过多个功率组合单元102实现功率的叠加。功率组合单元如图6所示，两路输入为In1和In2，对应的光功率分别为I1和I2。如图6所示，功率组合单元包括：第一热调相器103、第二热调相器104、第一2×2耦合器105、第二2×2耦合器106。
第一热调相器103，使得功率组合单元的两路输入In1和In2，经过第一2×2耦合器105后的两路输出O1和O2，具有相同的功率值，该值为
Figure BDA0003913131710000071
第二热调相器104，使得第一2×2耦合器105的两路输出O1和O2具有
Figure BDA0003913131710000072
的相位差，从而使得O1和O2经过第二2×2耦合器106后，第二2×2耦合器106的其中一路输出O3功率为0，另一路输出O4的功率为第一2×2耦合器105的两路输出功率值之和，即为I1+I2。
激光雷达接收芯片1还包括：光电信息处理单元107以及若干光电探测器108。第二2×2耦合器106的其中一个输出端O3与光电探测器108连接，可以实时监测光电探测器的光电流，并根据光电流的变化对热调相器进行微调，另一个输出端O4与更高级次的功率组合单元102的输入端连接。其中，位于最高级次的第二2×2耦合器106的其中一个输出端O3与光电探测器108连接，另一输出端O4与光电信息处理单元107连接。
当O3光电流维持最小时，该功率组合单元实现将两路输入功率合并的功能，并具有最大的输出功率。7路光纤中的光经过多级的功率组合来重复上述过程，最终实现7路功率的合并，且由一个端口输出。该输出光作为信号光，与本振光共同进行后续的光电信息处理过程，实现雷达探测等功能。
功率组合装置结合多芯光纤2构造出激光雷达的信号光接收系统，不仅提升耦合效率，而且实现信号光功率的提升。激光雷达接收芯片1中，2×2耦合器、热调相器、光电探测器等均为成熟的基础单元器件，基于上述器件构造的功率组合光路可应用于空间光通信系统；端面耦合器、光栅耦合器这两类成熟的耦合器件可以分别用来实现多芯光纤与芯片间的端面耦合与垂直耦合。本发明基于上述器件与设计基础，结合多芯光纤，可以构造提升激光雷达接收的信号光功率的接收系统。
本实施例的基于多芯光纤的激光雷达接收方案成本可控，稳定性高，激光雷达接收芯片的光路设计成熟，工艺稳定。所设计的接收方案具有可扩展性，当使用多根多芯光纤或是使用更多纤芯的多芯光纤时，可以增加激光雷达接收芯片的光路规模，与纤芯路数进行匹配，进一步的提高接收功率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.基于多芯光纤接收信号光的激光雷达，包括：激光雷达接收芯片，其特征在于，还包括：多芯光纤以及耦合装置，所述耦合装置将所述多芯光纤接收的光信号耦合至所述激光雷达接收芯片中；所述激光雷达接收芯片内设置功率组合装置，所述功率组合装置将所述耦合装置耦合进入芯片的各路信号光合并为一路并输出。
2.根据权利要求1所述的基于多芯光纤接收信号光的激光雷达，其特征在于，所述耦合装置包括：扇入扇出器件、光纤阵列以及若干单模光纤；
在所述多芯光纤的输出端通过所述扇入扇出器件，将所述多芯光纤内各纤芯中的光信号分别耦合至各个所述单模光纤中，并通过所述光纤阵列与所述激光雷达接收芯片的端面耦合器阵列进行对准。
3.根据权利要求1所述的基于多芯光纤接收信号光的激光雷达，其特征在于，所述耦合装置包括：光栅耦合器阵列以及若干光波导；
所述光栅耦合器阵列的排布方式与所述多芯光纤内各纤芯位置相一致，以使得所述多芯光纤内各纤芯通过垂直耦合的方式将各纤芯与各光栅耦合器进行对准。
4.根据权利要求2或3所述的基于多芯光纤接收信号光的激光雷达，其特征在于，所述功率组合装置由若干呈多级次连接的功率组合单元组成；
所述多级次连接是指，处于高级次的功率组合单元的两个输入端分别与处于低级次的两个相邻的功率组合单元的输出端连接。
5.根据权利要求4所述的基于多芯光纤接收信号光的激光雷达，其特征在于，所述功率组合单元包括：第一热调相器、第二热调相器以及依次连接的第一2×2耦合器与第二2×2耦合器；
所述第一热调相器使得所述功率组合单元的两路输入经过所述第一2×2耦合器后的两路输出具有相同的功率值；
所述第二热调相器使得所述第一2×2耦合器的两路输出具有
Figure FDA0003913131700000021
的相位差，且所述第二2×2耦合器的其中一路输出功率为0，另一路输出的功率为所述第一2×2耦合器的两路输出功率值之和。
6.根据权利要求5所述的基于多芯光纤接收信号光的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达接收芯片还包括：光电信息处理单元以及若干光电探测器；
所述第二2×2耦合器的其中一个输出端与所述光电探测器连接，另一个输出端与更高级次的功率组合单元连接，且位于最高级次的所述第二2×2耦合器的另一输出端与所述光电信息处理单元连接。
7.根据权利要求6所述的基于多芯光纤接收信号光的激光雷达，其特征在于，还包括：准直器；所述准直器将收集的光信号聚焦之后照射在所述多芯光纤的截面上。
8.根据权利要求7所述的基于多芯光纤接收信号光的激光雷达，其特征在于，还包括：激光雷达发射芯片；所述激光雷达发射芯片发射光信号，经待测物体反射后入射至所述准直器，且所述激光雷达发射芯片产生一路本振光并输入至所述激光雷达接收芯片。
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