JP2022527889A - 戻り路に光増幅器を備えたlidar装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、米国特許法第119条(e)の下で2019年3月18日出願の米国特許出願番号16/356927の利益を主張するものであり、その内容全体は参照によって本明細書に組み込まれる。
本開示は、一般に、信号対雑音比の改善を提供する光検出及び測距(LIDAR)装置に関する。
ここで、Κと
はそれぞれ、PDの利得と応答性である。ここで、PASEは、OAの自然放射増幅光電力である。式1において、振動項
ここで、qは素電荷、BWは検出帯域幅である。LIDARシステムでは、受信信号の電力はLO及びASEの電力よりも遥かに小さい(すなわち、PLO及びPASE≫PSend)。OAを用いたSNR利得は、近似的に以下で計算される。
、集光効率(η)、送出光パワー(PSend)を増加させることで、並びに検出帯域幅(BW)を減少させる(すなわち、検出平均時間を増やす)ことで、SNRを改善できることを示すことに留意されたい。それにもかかわらず、所望のダイナミックレンジ及び帯域幅を達成しながらTIA利得を高めることには限界がある。また、検出器の応答性は、本開示の一態様に従って、アバランシェ・フォトダイオード(APD)を用いて高めることもできる。集光効率は、集光開口を大きくすることで高めることができるが、LIDARシステムはコンパクトに維持することが好ましい。目の安全性要件を保証するためには、光パワーを所定の電力未満のままに維持する必要がある。一般に、検出の帯域幅は、システム遅延を増大させ、センサの応答を遅くすることになるという理由で、小さくすることができない。1つの実施形態では、図2及び図3に示した光回路200及び300のそれぞれは、フォトニクスチップ又は集積回路に含めることができる。
202 レーザ源
204 ビームスプリッタ
206 光増幅器
208 偏光ビームスプリッタ(PBS)
210 レンズ
212 偏光波長板(PWP)
214 標的
216 光増幅器
218 ビームコンバイナ
220 光検出器(PD)
222 トランスインピーダンス増幅器(TIA)
224 光学部品
Claims (21)
- 光回路を備える光検出及び測距(LIDAR)装置であって、
前記光回路は、
レーザビームを放出するように構成されたレーザ源と、
前記レーザ源に作動的に結合され、標的に向かって伝搬する前記レーザビームを分離するように構成されたビーム分離器と、
前記ビーム分離器に作動的に結合された第1の光増幅器であって、前記標的から反射された戻りレーザビームを戻り路で受け取り、前記戻りレーザビームを増幅して、増幅された戻りレーザビームを出力するように構成された前記第1の光増幅器と、
前記第1の光増幅器に作動的に結合され、前記増幅された戻りレーザビームに基づいて電流を出力するように構成された光学部品と、
を備える、LIDAR装置。 - 前記第1の光増幅器は、半導体光増幅器を備える、請求項1に記載のLIDAR装置。
- 前記光学部品は、
前記第1の光増幅器の出力に作動的に結合され、局部発振器信号を受信するように構成されたビームコンバイナと、
前記ビームコンバイナに作動的に結合された光検出器と、
前記光検出器に作動的に結合され、前記電流を出力するように構成された増幅器と、
を備える、請求項1に記載のLIDAR装置。 - 前記ビーム分離器は、偏光ビームスプリッタを備え、前記LIDAR装置は、前記偏光ビームスプリッタの後に位置する光増幅器をさらに備える、請求項1に記載のLIDAR装置。
- 前記ビーム分離器は、サーキュレータを備える、請求項1に記載のLIDAR装置。
- 前記光回路は、前記標的に向かって伝搬する前記レーザビームの伝送経路内に第2の光増幅器を備え、前記第2の光増幅器は、前記レーザ源と前記ビーム分離器の間に作動的に結合されている、請求項1に記載のLIDAR装置。
- 前記光回路は、前記レーザ源と前記第1の光増幅器との間に作動的に結合されたビームスプリッタを備え、前記ビームスプリッタは、入力として受信した局部発振器信号を前記光学部品に出力するように構成されている、請求項1に記載のLIDAR装置。
- 前記光回路は、フォトニクスチップに含まれる、請求項1に記載のLIDAR装置。
- 光検出及び測距(LIDAR)装置のための光回路であって、
標的に向けてレーザビームを放出するように構成されたレーザ源と、
前記レーザ源に作動的に結合された第1の光増幅器であって、前記標的から反射された戻りレーザビームを戻り路で受け取り、前記戻りレーザビームを増幅して、増幅された戻りレーザビームを出力するように構成された前記第1の光増幅器と、
前記第1の光増幅器に作動的に結合され、前記増幅された戻りレーザビーム及び局部発振器信号に基づいて電流を出力するように構成された光学部品と、
を備える光回路。 - 前記第1の光増幅器は、半導体光増幅器を備える、請求項9に記載の光回路。
- 前記光学部品は、
前記第1の光増幅器の出力に作動的に結合され、前記局部発振器信号を受信するように構成されたビームコンバイナと、
前記ビームコンバイナに作動的に結合された光検出器と、
前記光検出器に作動的に結合され、前記電流を出力するように構成された増幅器と、
を備える、請求項9に記載の光回路。 - 前記ビーム分離器は、偏光ビームスプリッタを備える、請求項9に記載の光回路。
- 前記ビーム分離器は、サーキュレータを備える、請求項9に記載の光回路。
- 前記標的に向かって伝搬する前記レーザビームの第1の部分の伝送経路内に第2の光増幅器をさらに備え、前記第2の光増幅器は、前記レーザ源と前記ビーム分離器の間に作動的に結合される、請求項9に記載の光回路。
- 前記レーザ源と第2の光増幅器との間に作動的に結合されたビームスプリッタをさらに備え、前記ビームスプリッタは、前記標的に向かって伝搬する前記レーザビームの第1の部分と、前記光学部品で受信される前記局部発振器信号としての前記レーザビームの第2の部分を分離するように構成されている、請求項9に記載の光回路。
- レーザ源によって、レーザビームを放出するステップと、
光増幅器によって、標的から反射された戻りレーザビームを戻り路で受け取るステップと、
前記光増幅器によって、前記戻りレーザビームを増幅して、増幅された戻りレーザビームを出力するステップと、
前記増幅された戻りレーザビームを局部発振器信号の一部と混合するステップと、
光学部品によって、前記増幅された戻りレーザビームに基づいて電流を出力するステップと、
を含む方法。 - 前記光学部品によって、前記増幅された戻りレーザビームと共に局所発振器信号を処理して前記電流を出力するステップをさらに含む、請求項16に記載の方法。
- 別の光増幅器によって、前記レーザビームを増幅するステップをさらに含み、前記標的に向かって伝搬する前記レーザビームを分離することが、前記別の光増幅器によって、前記レーザビームを増幅することに応答する、請求項16に記載の方法。
- 前記光増幅器は、半導体光増幅器を備える、請求項16に記載の方法。
- 前記光増幅器は、ファイバ光増幅器を備える、請求項16に記載の方法。
- 前記ビーム分離器は、偏光ビームスプリッタを備える、請求項16に記載の方法。
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