CN219892605U - 保偏光纤放大器及fmcw激光雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种保偏光纤放大器和一种FMCW激光雷达，其中保偏光纤放大器包括保偏环形器、泵浦单元、单模掺杂光纤和偏振态调节单元，保偏环形器适于通过一端口接收信号光，并保持信号光的偏振态从另一端口输出，泵浦单元适于输出泵浦光，单模掺杂光纤适于接收泵浦光及偏振的信号光并进行放大，偏振态调节单元对放大后的光束调整偏振态后，反向再次经泵浦单元和单模掺杂光纤后，出射到保偏环形器。本实用新型的实施例利用保偏环形器和偏振态调节单元相配合，共同实现对信号光和泵浦光的保偏，无需使用保偏掺杂光纤和具有保偏功能的泵浦单元，极大地降低了生产成本，并且还能够缓解单模掺杂光纤易受环境影响而导致产生信号噪声的问题。

Description

保偏光纤放大器及FMCW激光雷达

技术领域

本实用新型大致涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种保偏光纤放大器和FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave调频连续波)激光雷达。

背景技术

FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)激光雷达是一种利用调频连续波的相干性原理的激光雷达，FMCW激光雷达在扫频周期内发射频率变化的连续波，被目标物体反射后，反射回波与发射信号之间存在一定的频移，通过测量频移并经过计算后，可以获得目标与激光雷达之间的距离信息和速度信息。FMCW激光雷达需要保留部分调频光源作为本振光，与反射回波进行混频，即可获得反射回波和发射信号之间的差频。

FMCW激光雷达中，每个探测通道的探测光功率约需为百mW量级，由于每个线性调频光源输出的光功率为数十mW量级，并且出于成本考虑，多个探测通道共用一个线性调频光源，因此需要在FMCW激光雷达中设置光放大器。

为了精准计算目标物体与激光雷达的距离和速度信息，FMCW激光雷达一般要求本振光和反射回波具有相同的偏振状态，但现有的光放大器无法同时兼顾保偏(Polarization Maintaining)和控制成本的需求，成为亟待解决的问题。

背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

实用新型内容

针对现有技术存在问题中的一个或多个，本实用新型提供一种保偏光纤放大器，包括保偏环形器、泵浦单元、单模掺杂光纤和偏振态调节单元，

其中所述保偏环形器适于通过一端口接收信号光，并保持所述信号光的偏振态从另一端口输出；

所述泵浦单元适于输出泵浦光；

所述单模掺杂光纤适于接收所述泵浦光及偏振的所述信号光并进行放大；

所述偏振态调节单元对放大后的光束调整偏振态后，反向再次经所述单模掺杂光纤后，出射到所述保偏环形器。

根据本实用新型的一个方面，其中所述泵浦单元包括泵浦激光器和泵浦合束器，所述泵浦激光器配置成输出泵浦光，所述泵浦合束器配置成用于合束。

根据本实用新型的一个方面，其中所述单模掺杂光纤连接在所述泵浦合束器和偏振态调节单元之间，所述泵浦合束器将所述信号光与泵浦光混合后，通过所述单模掺杂光纤放大，并出射到所述偏振态调节单元。

根据本实用新型的一个方面，其中所述泵浦合束器通过所述单模掺杂光纤接收所述偏振的信号光，所述泵浦合束器并且将所述泵浦光传输到所述单模掺杂光纤以放大所述信号光，并且将所述泵浦光与从所述偏振态调节单元返回的光束进行混合。

根据本实用新型的一个方面，所述保偏光纤放大器还包括单模窄带滤波器，所述单模窄带滤波器设置在所述保偏环形器和所述泵浦合束器之间。

根据本实用新型的一个方面，其中所述偏振态调节单元为法拉第旋转镜，配置成将入射到其上的光束的偏振态调节90度。

根据本实用新型的一个方面，其中所述保偏环形器为双轴工作的保偏环形器。

根据本实用新型的一个方面，其中所述保偏环形器具有第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口用于接收信号光，第二端口用于输出信号光，第三端口用于输出从所述偏振态调节单元返回的光束，所述保偏光纤放大器还包括单偏振保偏器件，所述单偏振保偏器件耦接到所述保偏环形器的第三端口。

根据本实用新型的一个方面，其中所述泵浦合束器为非保偏的泵浦合束器，所述单模掺杂光纤为非保偏掺杂光纤。

根据本实用新型的一个方面，本实用新型还包括一种FMCW激光雷达，所述FMCW激光雷达包括：

激光源，配置成发射出偏振光；

分光器，配置成将所述偏振光分束为探测光和本振光；

保偏光纤放大器，设置在所述分光器的下游以接收所述探测光，并且进行放大；所述保偏光纤放大器包括保偏环形器、泵浦单元、单模掺杂光纤和偏振态调节单元，

所述保偏环形器适于通过一端口接收信号光，保持所述信号光的偏振态并从另一端口输出；

所述泵浦单元适于输出泵浦光；所述单模掺杂光纤适于接收所述泵浦光及偏振的所述信号光并进行放大；

所述偏振态调节单元对放大后的光束调整偏振态后，反向再次经所述单模掺杂光纤后，出射到所述保偏环形器；

环形器，所述环形器接收经过放大的探测光，并将所述探测光出射到所述FMCW激光雷达的外部，用于探测周围环境；所述环形器并且接收所述探测光产生的回波信号并输出；

混频器，配置成接收所述本振光以及所述环形器输出的回波信号，并输出拍频信号；

探测单元，配置成接收所述拍频信号，并转换为电信号；和

处理单元，配置成根据所述电信号，计算障碍物的信息。

根据本实用新型的一个方面，其中所述泵浦单元包括泵浦激光器和泵浦合束器，所述泵浦激光器配置成输出泵浦光，所述泵浦合束器配置成用于合束；所述泵浦合束器为非保偏的泵浦合束器，所述单模掺杂光纤为非保偏掺杂光纤。

根据本实用新型的一个方面，其中所述保偏光纤放大器还包括单模窄带滤波器，所述单模窄带滤波器设置在所述保偏环形器和所述泵浦合束器之间。

根据本实用新型的一个方面，其中所述单模掺杂光纤连接在所述泵浦合束器和偏振态调节单元之间，所述泵浦合束器将所述信号光与泵浦光混合后，通过所述单模掺杂光纤放大，并出射到所述偏振态调节单元。

根据本实用新型的一个方面，所述FMCW激光雷达还包括滤波单元，所述滤波单元设置于所述探测单元和所述处理单元之间，并配置为对所述探测单元输出的电信号进行采样和滤波。

根据本实用新型的一个方面，本实用新型还包括一种光放大方法，所述光放大方法包括：

通过保偏环形器的一端口接收信号光；

保持所述信号光的偏振态，并通过保偏环形器的另一端口输出所述信号光；

通过泵浦单元输出泵浦光；

通过所述单模掺杂光纤接收所述泵浦光以及偏振的信号光并进行放大；

通过偏振态调节单元对放大后的光束调整偏振态，通过所述单模掺杂光纤，返回到所述保偏环形器。

根据本实用新型的一个方面，其中所述泵浦单元包括泵浦激光器和泵浦合束器，所述泵浦激光器配置成输出泵浦光，所述泵浦合束器配置成用于合束。

根据本实用新型的一个方面，其中所述单模掺杂光纤连接在所述泵浦合束器和偏振态调节单元之间，所述泵浦合束器将所述信号光与泵浦光混合后，通过所述单模掺杂光纤放大，并出射到所述偏振态调节单元。

根据本实用新型的一个方面，其中所述泵浦合束器通过所述单模掺杂光纤接收所述偏振的信号光，所述泵浦合束器并且将所述泵浦光传输到所述单模掺杂光纤以放大所述信号光，并且将所述泵浦光与从所述偏振态调节单元返回的光束进行混合。

根据本实用新型的一个方面，所述光放大方法还包括：通过单模窄带滤波器进行滤波，所述单模窄带滤波器设置在所述保偏环形器和所述泵浦合束器之间。

根据本实用新型的一个方面，其中所述偏振态调节单元为法拉第旋转镜，配置成将入射到其上的光束的偏振态调节90度。

根据本实用新型的一个方面，其中所述保偏环形器为双轴工作的保偏环形器。

根据本实用新型的一个方面，其中所述保偏环形器具有第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口用于接收信号光，第二端口用于输出信号光，第三端口用于输出从所述偏振态调节单元返回的光束，保偏光纤放大器还包括单偏振保偏器件，所述单偏振保偏器件耦接到所述保偏环形器的第三端口。

根据本实用新型的一个方面，其中所述泵浦合束器为非保偏的泵浦合束器，所述单模掺杂光纤为非保偏掺杂光纤。

与现有技术相比，本实用新型的实施例提供了一种保偏光纤放大器，无需使用保偏掺杂光纤和具有保偏功能的泵浦单元，利用其中的保偏环形器和偏振态调节单元相配合，共同实现对信号光和泵浦光的保偏，相比于全保偏化的光纤放大器，极大地降低了光纤放大器的成本，并且还能够缓解单模掺杂光纤易受环境影响而导致产生信号噪声的问题。另外，本实用新型的实施例中信号光两次经过单模掺杂光纤，进行两次放大，提升了信号放大效果。

本实用新型还包括一种FMCW激光雷达的实施例，应用前述实施例中的保偏光纤放大器，能够在保持探测光和本振光的偏振态的同时，极大地降低FMCW激光雷达的生产成本。

本实用新型还包括一种光放大方法的实施例，通过保偏环形器接收信号光，并保持信号光的偏振态，泵浦光与信号光经过单模掺杂光纤放大后，通过偏振态调节单元调整偏振态，再次经过保偏环形器保持信号光和泵浦光的偏振态，能够实现信号光和泵浦光放大的同时保持偏振态。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1A和图1B是光纤放大器的两种设计形式；

图2是本实用新型的一个实施例中保偏光纤放大器的示意性框图；

图3是本实用新型的一个实施例中包括泵浦激光器和泵浦合束器的保偏光纤放大器的结构框图；

图4A是本实用新型的一个实施例中包括单模窄带滤波器的保偏光纤放大器的结构框图；

图4B是本实用新型的另一实施例中包括单模窄带滤波器的保偏光纤放大器的结构框图；

图5是本实用新型的一个实施例中FMCW激光雷达的结构框图；

图6是本实用新型的一个实施例中光放大方法的流程示意图；

图7是本实用新型的一个实施例中包括滤波过程的光放大方法的流程示意图；

图8是本实用新型的一个实施例中保偏光纤放大器和全保偏化的光纤放大器的出射光偏折消光比的对比图。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本实用新型的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在各种光电设备中经常需要用到能够实现保偏的光放大器。以FMCW激光雷达为例，调频光源产生线性调频连续激光，经过分光器后其中较小的一部分，例如2％的线性调频连续激光，导入到混频器中作为本振光，可用于与回波信号计算频移，剩余的大部分，如98％的线性调频连续激光，通过放大器放大后作为FMCW激光雷达的出射光(探测信号)，经过目标物体反射后形成的回波信号被激光雷达接收，在混频器中与本振光进行混频，经过滤波后即可计算频移，进而计算目标物体相对于激光雷达的距离和速度。

为了精准计算目标物体的距离速度信息，FMCW激光雷达一般设置成本振光和大部分(＞60％)回波光具有相同的偏振态。下面详细介绍原因，具体地，回波信号和本振光经过耦合器后的拍频信号光场表达式为：

由光电探测器探测光功率和光电流平方率关系可得：

其中和/>分别为回波信号和本振光的振幅，/> ω_IF是回波与本振光的拍频频率，/>为回波与本振光信号的相位差，为光电探测器的响应度。上式中第一、二两项是回波与本振光的直接探测信号，第三项为回波与信号光的相干探测信号，所以仅第三项带有目标的距离与速度信息，对第三项整理可得：

其中cosθ是回波信号的振幅和本振光振幅/>之间夹角的余弦值，用于表示回波信号和本振光信号之间偏振态的失配程度，当回波信号和本振光的偏振态相同时，cosθ＝1，此时拍频信号取最大值；当回波信号和本振光的偏振态垂直时，cosθ＝0，此时探测到的目标物体相对于激光雷达的距离和速度信息的精准度相对较差，因此在FMCW激光雷达中需要具备偏振保持能力，以尽量降低偏振噪声，提高探测目标物体的精准度。

同时由于能够在宽温度范围内正常工作的高功率放大器无法集成在光学芯片上，因此激光雷达中需要额外设置片外放大器，通常选择掺杂光纤放大器，但应用在FMCW激光雷达中，在对信号光进行放大的过程中，信号光的偏振态无法保持稳定，以图1A为例，图1A示出了一种掺杂光纤放大器，其中信号光先后经过单模隔离器、泵浦合束器、单模掺杂光纤和另一个单模隔离器后出射。但信号光在这种光放大器中放大的过程，无法保证信号光的偏振态稳定，单模掺杂光纤的纤芯折射率为非圆对称分布，并且单模掺杂光纤容易受到温度、应力、振动、扭转、弯曲等外界环境的影响，进而导致单模掺杂光纤最终输出的信号光的偏振态随时间随机变化，应用在FMCW激光雷达中会在系统中产生偏振相关的噪声，降低信噪比。

针对保持偏振态的需求，目前FMCW激光雷达中的光放大器也可以选择保偏光纤放大器，例如图1B所示的保偏光纤放大器，其中使用了两组保偏隔离器，分别用于输入信号光和输出信号光，并且掺杂光纤和泵浦合束器也均选择了具有保偏功能的元件。保偏光纤放大器中的器件进行全保偏化，虽然能够保持信号光的偏振态，但其生产成本远高于图1A中所示的单模光纤放大器，阻碍了全保偏化的掺杂光纤放大器在激光雷达中的广泛应用。

图2示出了根据本实用新型的一个实施例的保偏光纤放大器100的示意性框图，下面结合图2对保偏光纤放大器100进行说明。

如图2所示，保偏光纤放大器100包括保偏环形器110、泵浦单元120、单模掺杂光纤130和偏振态调节单元140，其中保偏环形器110具有第一端口111，第一端口111用于接收信号光，信号光从保偏环形器110的另外一个端口，例如图2中所示的第二端口112处输出。信号光是一种电磁波(横波)，其中光矢量的振动方向与信号光的传播方向相垂直，振动方向和传播方向共同构成的平面称为振动面，在信号光的传播过程中，随着光矢量振动方向的改变，信号光的振动面也随之改变，光矢量保持在特定的振动方向上的状态，称为光的偏振态。

保偏环形器110是一种能够保持输入信号光的偏振态的光学元件，信号光在保偏环形器110内传播，输入端口和输出端口保持对应，具有隔离性高，损耗小的优点。在本实施例中，信号光穿过保偏环形器110输出的过程中，偏振态保持不变。

本实施例中，泵浦单元120用于输出泵浦光，泵浦光与单模掺杂光纤130相配合，对信号光进行放大，具体的，信号光和泵浦光可以在同一方向(同向泵浦)、相反方向(反向泵浦)或两个方向(双向泵浦)传播。当信号光和泵浦光同时传播至单模掺杂光纤130内时，在单模掺杂光纤130中掺杂的元素在泵浦光的作用下激发到高能级上，并且很快跃迁至亚稳态能级上，在入射的信号光作用下，回到基态时发射对应于信号光的光子，使信号光得到放大。在单模掺杂光纤130中掺杂的元素亚稳态和基态的能量差相当于信号光子的能量，在吸收了适当波长的泵浦光能量后，掺杂离子中的电子会从基态跃迁到能极高的激发态，然后释放少量能量转移到较为稳定的亚稳态，当泵浦光源持续发射泵浦光时，掺杂离子的电子会发生巨量反转，即高能级的亚稳态比能级较低的基态电子数量多，当信号光通过单模掺杂光纤130时，亚稳态的电子会发生受激辐射效应，放射出大量同波长的信号光子，由单模掺杂光纤130中出射，信号光因此被放大。

偏振态调节单元140设置在单模掺杂光纤130下游，经过放大的信号光由单模掺杂光纤130出射后，传递至偏振态调节单元140，经过偏振态调节单元140调整信号光的偏振态后，反向朝向单模掺杂光纤130输出，再次经过单模掺杂光纤130后，出射至保偏环形器110。根据本实用新型的具体实施例，保偏环形器110为双轴工作的保偏环形器，设置有三个端口，如图2所示，信号光由第一端口111入射，由第二端口112出射，在经过偏振态调节单元140后反向传播至保偏环形器110的信号光由第二端口112入射，由第三端口113出射，再次经过保偏环形器110，保持偏振态不变并出射。

本实用新型的实施例中提供的保偏光纤放大器100是利用保偏环形器110和偏振态调节单元140相互配合，信号光由保偏环形器110输入，并最终由保偏环形器110输出，在信号光第一次经过单模掺杂光纤130进行放大后，由于前述的单模掺杂光纤130的特性，此时出射的信号光的偏振态处于随机状态。信号光在经过偏振态调节单元140后，偏振态受到调节发生旋转，对于固定类型的偏振态调节单元140来说，对入射光偏振态的调节角度为固定值，即在确定了偏振态调节单元140后，信号光的偏振态在经过偏振态调节单元140后旋转的角度已知。

在本实施例中，信号光在经过偏振态调节单元140后，沿原路返回再次经过单模掺杂光纤130，并传递至保偏环形器110，在这一过程中，信号光的偏振态一直处于随机状态，但由于偏振态调节单元140对信号光偏振态的调节角度固定，在信号光由偏振态调节单元140返程传递至保偏环形器110的过程中，在任意时刻，偏振态调节单元140的反射光(偏振态调节单元140的出射光)的偏振态与同光路位置的入射光(信号光)的偏振态之间的相对关系保持固定，即偏振态调节单元140的入射光和反射光的振动面之间的夹角始终保持固定，信号光的传播时间可忽略。因此，再次由保偏环形器110中输出(例如由第二端口输入，第三端口输出)的信号光仍然是线偏光(线性调频光)，保持了较大的偏振消光比，出射的信号光的偏振态相比于入射的信号光的偏振态旋转了固定的角度，旋转的角度根据偏振态调节单元140确定。

偏振消光比用于表示信号光在沿偏振主态方向分解的两个正交偏振分量之间的比例关系，单位为dB，例如100:1表示20dB，10000:1表示40dB，偏振消光比越大，信号光越接近线偏光，即信号光在其中一个偏振分量上的能量远大于信号光在另一个正交偏振分量上的能量，理论上线偏光的偏振消光比无穷大，圆偏光的能量在两个正交方向上均匀分布，比值为1:1，偏振消光比的数值为0。在实际应用中，FMCW激光雷达中使用的线偏光具有40dB即可满足正常的使用要求。本实施例中的出射光能够保持较高的偏振消光比，出射光可作为线偏光使用，满足FMCW激光雷达中对于探测光的要求，并且出射的信号光和入射的信号光偏振态之间的角度已知，本实施例中的保偏光纤放大器100不仅能够输出线性调频连续光，而且保偏光纤放大器100中无需使用保偏掺杂光纤和具有保偏功能的泵浦单元等元器件，对具有保偏功能的元器件的需求量减少，极大地降低了生产成本，与市场上在售的全保偏化的光纤放大器相比，生产成本能够降低3/4甚至更多，实现了在FMCW激光雷达中设置低成本的光纤放大器的效果。

图3示出了根据本实用新型的优选实施例的保偏光纤放大器100的具体结构框图，其中泵浦单元120可以设置为包括泵浦激光器121和泵浦合束器122，在本实施例中，泵浦激光器121用于发射泵浦光，并传递至泵浦合束器122中，同时信号光由保偏环形器110输出后也传递至泵浦合束器122，泵浦合束器122用于实现信号光和泵浦光的合束。信号光和泵浦光首先耦入泵浦合束器122内，在泵浦合束器122内进行混合合束，经过合束后，信号光和泵浦光在单模掺杂光纤130内对信号光进行放大。在本实用新型的不同实施例中，泵浦单元120也可以设置在不同的位置，具体在后续实施例中展开。

在具体的实施例中，泵浦合束器122可以选择非保偏的泵浦合束器，单模掺杂光纤130可以选择非保偏掺杂光纤，减少具有保偏功能的元器件在本实施例中的应用，降低保偏光纤放大器100的生产成本。

进一步的，在本实施例中，偏振态调节单元140可以选择法拉第旋转镜，法拉第旋转镜的反射光的偏振态与入射光的偏振态相比旋转了90°，即在经过偏振态调节单元140后返回保偏环形器110的信号光的偏振态与入射在偏振态调节单元140中的信号光的偏振态相差90°，当然在本实用新型的不同实施例中，偏振态调节单元140也可以选择其他能够调整偏振态的器件。

图4A示出了根据本实用新型的一个优选实施例的保偏光纤放大器100，与前述实施例相比，本实施例中的保偏光纤放大器100还包括单模窄带滤波器150，其中单模窄带滤波器150设置在保偏环形器110和泵浦合束器122之间，能够对信号光进行滤波。当信号光为单波长光时，信号光经过单模窄带滤波器150后在泵浦合束器122中与泵浦光进行混合，然后进入单模掺杂光纤130进行放大。对于多波长光的信号光，在保偏光纤放大器100中可以省略单模窄带滤波器150，以避免单模窄带滤波器150由于带宽较窄，导致多波长的线性调频光无法完全通过单模窄带滤波器150的情况。

进一步的，根据本实用新型的优选实施例，如图4A所示，保偏环形器110为双轴(向)工作的保偏环形器110，其中具有三个端口，光源出射的线性调频光由第一端口111输入至保偏环形器110中，由第二端口112输出，经过单模掺杂光纤130放大，并通过偏振态调节单元140调整偏振角度，沿原路返回至保偏环形器110处，由第二端口112入射，由第三端口113出射。

在本实施例中，保偏光纤放大器100还包括单偏振保偏器件160，单偏振保偏器件160耦接在保偏环形器110的第三端口113处。在实际应用中，偏振态调节单元140的偏振调节精度可能无法完全符合设计精度，例如法拉第旋转镜的偏振调节的角度为90°，但在实际应用中，法拉第旋转镜对偏振态的调节角度范围通常为90°±4°，因此，经过法拉第旋转镜后，信号光的偏振态存在一定的误差，直接作为FMCW激光雷达的出射光使用可能会影响与回波信号的比对，进而影响对目标物体探测的精准度，而本实施例在保偏环形器110的第三端口处耦接单偏振保偏器件160能够进一步提升信号光的偏振消光比，使保偏光纤放大器100出射的信号光接近理论线偏光。

如图4A所示，在本实用新型的优选实施例中，保偏光纤放大器100中的单模掺杂光纤130连接在泵浦合束器122和偏振态调节单元140之间，泵浦合束器122将信号光与泵浦激光器121发出的泵浦光混合后，一起入射至单模掺杂光纤130内，经过单模掺杂光纤130放大的信号光出射到偏振态调节单元140中。

根据本实用新型的另一个优选实施例，如图4B所示，泵浦合束器122还可以设置在单模掺杂光纤130和偏振态调节单元140之间，下面参考图4B详细描述。在图4B中，泵浦合束器122通过单模掺杂光纤130接收偏振的信号光(在图中沿着向右的方向传播)，同时将泵浦激光器121产生的泵浦光传播到单模掺杂光纤130中(在图中沿着向左的方向)，使得信号光在单模掺杂光纤130中传播时进行放大。放大后的信号光经过泵浦合束器122入射到偏振态调节单元140后，偏振态得到了调节，然后沿原路径返回，在泵浦合束器122中与泵浦光合束，并一起入射至单模掺杂光纤130中，对信号光进行二次放大。进一步的，在本实用新型的优选实施例中，可以在单模掺杂光纤130的两侧均设置泵浦单元120，提升信号光的放大效果。

图8提供了全保偏化光纤放大器和本实施例中保偏光纤放大器100的对比，输入光信号的偏折消光比为76.6倍，全保偏化的光纤放大器输出光的偏振消光比为40.9倍，本实施例中保偏光纤放大器100输出光的偏振消光比为42.7倍，经过对比可知，本实施例中的保偏光纤放大器100能够提供与现有的全保偏化的光纤放大器基本相同的偏振保持能力，但本实施例中保偏设备的数量大大减少，保偏光纤放大器100的生产成本大大降低。

本实用新型还包括一种FMCW激光雷达1的实施例，如图5所示，FMCW激光雷达1包括激光源200、分光器300、保偏光纤放大器100、环形器400、混频器500、探测单元600和处理单元700，优选的，本实施例中的保偏光纤放大器100可以使用前述实施例中的保偏光纤放大器。

其中，激光源200用于发射线性调频的偏振光，分光器300设置在激光源200的光路下游，能够将偏振光分束为探测光和本振光，其中探测光用于探测目标物体，本振光用于与反射回波信号进行混频后，计算目标物体相对于激光雷达的距离信息和速度信息。优选的，偏振光经过分光器300分束后，选择能量较小的一部分作为本振光，能量较大的一部分作为探测光，例如2％作为本振光，98％作为探测光。

保偏光纤放大器100可以设置在分光器300的光路下游，经过分光器分束的探测光入射保偏光纤放大器100中，探测光经过保偏光纤放大器100放大后，由保偏光纤放大器100出射。也可以反之，即先经过放大器被放大后，再经过分光器300进行分光。本实施例中的保偏光纤放大器100具体包括保偏环形器110、泵浦单元120、单模掺杂光纤130和偏振态调节单元140，保偏环形器110通过其中的一个端口接收信号光，例如是经分光器300分出的探测光，或直接由激光源200发射的偏振光。信号光保持偏振态，由保偏环形器110的另一个端口输出。

泵浦单元120用于输出泵浦光，信号光和泵浦光入射至单模掺杂光纤130中，由单模掺杂光纤130接收泵浦光及偏振的信号光并进行放大后出射。偏振态调节单元140对放大后的信号光调整偏振态后，反向再次经单模掺杂光纤130后，出射到保偏环形器110。

接着如图5所示，环形器400设置在保偏光纤放大器100的光路下游，环形器400接收保偏光纤放大器100放大的探测光，并且将探测光出射到FMCW激光雷达1的外部，用于探测周围环境。探测光在目标物体表面反射后，反射回波信号被环形器400接收并输出。另外，激光雷达1还可以包括收发模块，例如扫描单元，以预设的角度和转速等向FMCW激光雷达1外部发射探测光，并接收回波信号。

混频器500能够接收环形器400获取的回波信号，并且经过分光器300分束的本振光也耦入混频器500中，与回波信号进行混频，即可得到回波信号和本振光的拍频信号。探测单元600能够接收混频器500获取的拍频信号，并将拍频信号转换为电信号。具体的，可以对混频器500中的拍频信号进行采样，例如利用模数转换器(ADC)采样，并将采样数据传递至探测单元600。将拍频信号转换为电信号后，由处理单元700根据电信号计算获得障碍物的信息，具体的，包括障碍物相对于激光雷达的距离信息和速度信息等。，优选的，还可以在回波信号和本振光进行混频后经过进行滤波，例如在探测单元600和处理单元700之间设置滤波单元，对探测单元600输出的电信号进行采样滤波。

根据本实用新型的优选实施例，FMCW激光雷达1中的保偏光纤放大器100可以选择前述实施例中的保偏光纤放大器100，在此不再赘述。

本实用新型还包括一种光放大方法S100的实施例，图6示出了光放大方法S100的具体流程，下面结合图6对光放大方法S100展开说明。

在步骤S101，利用保偏环形器的一个端口接收信号光。在光放大方法S100中，对信号光进行放大，同时使输出的信号光能够保持较大的偏振消光比，满足FMCW激光雷达中使用的线性调频光的要求，优选的，光放大方法S100可以利用前述实施例中的保偏光纤放大器执行。

在步骤S102，保持信号光的偏振态，并通过保偏环形器的另一端口输出信号光，保偏环形器能够实现不可逆的光路传递，并且保持穿过保偏环形器的信号光的偏振态。优选的，保偏环形器选择双轴工作的保偏环形器，具有三个端口，信号光由第一端口入射后，由对应的第二端口出射。

在步骤S103，通过泵浦单元输出泵浦光，泵浦光用于激发工作物质，产生受激辐射，以实现对信号光进行放大，在本实施例中收到泵浦光激发的工作物质为单模掺杂光纤中的掺杂离子。

在步骤S104，通过单模掺杂光纤接收泵浦光和偏振的信号光，并利用泵浦光实现对信号光的放大。在这一过程中，信号光的偏振态处于随机状态。

在步骤S105，通过偏振态调节单元对放大后的光束调整偏振态，然后通过单模掺杂光纤，返回到保偏环形器，最后由保偏环形器出射经过放大的信号光，并且信号光满足FMCW激光雷达的线性调频光要求。优选的，沿原路返回的、经过放大的信号光由保偏环形器的第二端口输入，由第三端口输出。

在本实施例中，保偏环形器和偏振态调节单元相互配合，利用非保偏的掺杂光纤和泵浦单元即可实现对信号光进行放大的同时，使输出的信号光满足FMCW激光雷达的线性调频光的要求，利用本实施例中的光放大方法S100能够在不影响使用性能的情况下，极大地降低FMCW激光雷达的生产加工成本。具体的，偏振态调节单元可以选择法拉第旋转镜，法拉第旋转镜能够将入射的光束的偏振态调整90°后出射。

进一步的，泵浦单元包括泵浦激光器和泵浦合束器，泵浦激光器用于输出泵浦光，泵浦合束器用于接收信号光和泵浦光，并进行混合，利用泵浦光激发辐射的原理，经过混合后的信号光和泵浦光同时进入单模掺杂光纤，对信号光进行放大。

根据本实用新型的优选实施例，单模掺杂光纤连接在泵浦合束器和偏振态调节单元之间，具体的位置关系如图4A所示，泵浦合束器将信号光和泵浦光进行混合后，通过单模掺杂光纤进行放大，经过放大后的信号光，由单模掺杂光纤出射并传递至偏振态调节单元。在本实用新型的不同实施例中，还可以将泵浦合束器设置在单模掺杂光纤和偏振态调节单元之间，泵浦合束器通过单模掺杂光纤接收偏振的信号光，并且泵浦合束器将泵浦光传递至单模掺杂光纤中，放大的信号光在经过偏振态调节单元后，沿原路径返回，与泵浦光在泵浦合束器中进行混合后，经过单模掺杂光纤进行放大。进一步的，可以在单模缠在光纤的两侧设置泵浦单元，在信号光两次经过单模掺杂光纤时，均利用泵浦光进行放大，提高信号光的放大效果，可以降低光源输出信号光的功率。

图7示出了根据本实用新型的优选实施例中光放大方法S200的具体过程，其中包括了对信号光进行滤波的过程。在光放大方法S200中，步骤S201、S202、S203、S205和S206分别与前述实施例中的光放大方法S100中的步骤S101、S102、S103、S104和S105基本相同，在本实施例中不再赘述。如图7所示，在步骤S204，通过单模窄带滤波器对信号光进行滤波，具体的，单模窄带滤波器设置在保偏环形器和泵浦合束器之间，用于对单波长的信号光进行滤波，经过滤波后的单波长信号光在泵浦合束器中与泵浦光进行合束混合。当信号光为多波长光时，由于单模窄带滤波器的带宽较窄，无法保证多波长的信号光完全通过，可以省略利用单模窄带滤波器进行滤波的过程。

根据本实用新型的优选实施例，保偏环形器设置为双轴工作的保偏环形器，包括三个端口，第一端口的入射光由第二端口出射，第二端口的入射光由第三端口出射，进一步的，在保偏环形器的第三端口处还耦接有单偏振保偏器件，进一步提高偏振消光比，使出射的信号光接近理想线偏光，满足FMCW激光雷达对于探测光的要求。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种保偏光纤放大器，其特征在于，包括保偏环形器、泵浦单元、单模掺杂光纤和偏振态调节单元，

其中所述保偏环形器适于通过一端口接收信号光，保持所述信号光的偏振态并从另一端口输出；

所述泵浦单元适于输出泵浦光；

所述单模掺杂光纤适于接收所述泵浦光及偏振的所述信号光并进行放大；

所述偏振态调节单元对放大后的光束调整偏振态后，反向再次经所述单模掺杂光纤后，出射到所述保偏环形器。

2.根据权利要求1所述的保偏光纤放大器，其特征在于，其中所述泵浦单元包括泵浦激光器和泵浦合束器，所述泵浦激光器配置成输出泵浦光，所述泵浦合束器配置成用于合束。

3.根据权利要求2所述的保偏光纤放大器，其特征在于，其中所述单模掺杂光纤连接在所述泵浦合束器和偏振态调节单元之间，所述泵浦合束器将所述信号光与泵浦光混合后，通过所述单模掺杂光纤放大，并出射到所述偏振态调节单元。

4.根据权利要求2所述的保偏光纤放大器，其特征在于，其中所述泵浦合束器通过所述单模掺杂光纤接收所述偏振的信号光，所述泵浦合束器并且将所述泵浦光传输到所述单模掺杂光纤以放大所述信号光，并且将所述泵浦光与从所述偏振态调节单元返回的光束进行混合。

5.根据权利要求2所述的保偏光纤放大器，其特征在于，还包括单模窄带滤波器，所述单模窄带滤波器设置在所述保偏环形器和所述泵浦合束器之间。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的保偏光纤放大器，其特征在于，其中所述偏振态调节单元为法拉第旋转镜，配置成将入射到其上的光束的偏振态调节90度。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的保偏光纤放大器，其特征在于，其中所述保偏环形器为双轴工作的保偏环形器。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的保偏光纤放大器，其特征在于，其中所述保偏环形器具有第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口用于接收信号光，第二端口用于输出信号光，第三端口用于输出从所述偏振态调节单元返回的光束，所述保偏光纤放大器还包括单偏振保偏器件，所述单偏振保偏器件耦接到所述保偏环形器的第三端口。

9.根据权利要求2-5中任一项所述的保偏光纤放大器，其特征在于，其中所述泵浦合束器为非保偏的泵浦合束器，所述单模掺杂光纤为非保偏掺杂光纤。

10.一种FMCW激光雷达，其特征在于，包括：

激光源，配置成发射出偏振光；

分光器，配置成将所述偏振光分束为探测光和本振光；

保偏光纤放大器，设置在所述分光器的下游以接收所述探测光，并且进行放大；所述保偏光纤放大器包括保偏环形器、泵浦单元、单模掺杂光纤和偏振态调节单元，

所述保偏环形器适于通过一端口接收信号光，保持所述信号光的偏振态并从另一端口输出；

所述泵浦单元适于输出泵浦光；所述单模掺杂光纤适于接收所述泵浦光及偏振的所述信号光并进行放大；

所述偏振态调节单元对放大后的光束调整偏振态后，反向再次经所述单模掺杂光纤后，再经过所述保偏环形器后出射为经过放大的探测光；环形器，所述环形器接收所述经过放大的探测光，并将所述探测光出射到所述FMCW激光雷达的外部，用于探测周围环境；所述环形器并且接收所述探测光产生的回波信号并输出；

混频器，配置成接收所述本振光以及所述环形器输出的回波信号，并输出拍频信号；

探测单元，配置成接收所述拍频信号，并转换为电信号；和

处理单元，配置成根据所述电信号，计算障碍物的信息。

11.根据权利要求10所述的FMCW激光雷达，其特征在于，其中所述泵浦单元包括泵浦激光器和泵浦合束器，所述泵浦激光器配置成输出泵浦光，所述泵浦合束器配置成用于合束；所述泵浦合束器为非保偏的泵浦合束器，所述单模掺杂光纤为非保偏掺杂光纤。

12.根据权利要求11所述的FMCW激光雷达，其特征在于，其中所述保偏光纤放大器还包括单模窄带滤波器，所述单模窄带滤波器设置在所述保偏环形器和所述泵浦合束器之间。

13.根据权利要求11所述的FMCW激光雷达，其特征在于，其中所述单模掺杂光纤连接在所述泵浦合束器和偏振态调节单元之间，所述泵浦合束器将所述信号光与泵浦光混合后，通过所述单模掺杂光纤放大，并出射到所述偏振态调节单元。

14.根据权利要求10-13中任一项所述的FMCW激光雷达，其特征在于，还包括滤波单元，所述滤波单元设置于所述探测单元和所述处理单元之间，并配置为对所述探测单元输出的电信号进行采样和滤波。