TWI814190B - 頻率調變連續波光學雷達裝置 - Google Patents

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Abstract

一種頻率調變連續波光學雷達裝置，係包括一雷射光源產生器以及一光達機構所構成。該雷射光源產生器包含一光放大器模組及一連接該光放大器模組至少一端的反射元件，該光放大器模組係由數個第一發光增益區及數個第二發光增益區組成，該些第一發光增益區根據施加的第一電流源而操作在飽和區域中，該些第二發光增益區根據施加的第二電流源而操作在線性區域中，俾以產生一雷射光並輸出至該光達機構。藉此，本發明所設計的雷射光源產生器通過將光放大器模組中一些發光增益區推到飽和區域中操作，壓抑強度調變，使其功率固定，即便是電流產生變化，也只有頻率漂移，達到使波長連續可調，不會有模態跳躍（mode hop）行為產生的問題。

Description

頻率調變連續波光學雷達裝置
本發明係有關於一種頻率調變連續波光學雷達裝置，尤指涉及一 種通過將光放大器模組中一些發光增益區推到飽和區域中操作，壓抑強度調變，使其功率固定，特別係指即便是電流產生變化，也只有頻率漂移，達到使波長連續可調，不會產生模態跳躍（mode hop）行為者。
習知技術的雷射是一支可調式雷射（tunable laser），是在半導體 光放大器（semiconductor optical amplifier, SOA）兩旁設置分散式布拉格反射器（distributed Bragg reflector, DBR）的結構，但其調變的位置是在DBR端，實測後調變的效果很差，在掃描頻率時，雷射波長在漂移的時候，它會有mode hop的問題，而且操作很複雜，包含有前進的電流與後進的電流，需要調相對電流大小，使它模態會跳躍式的改變其波長，從而造成雷射的模態穩定度下降雜訊下升。故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。
本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提 供一種操作相對簡單，所設計的雷射光源產生器通過將光放大器模組中一些發光增益區推到飽和區域中操作，壓抑強度調變，使其功率固定，即便是電流產生變化，也只有頻率漂移，達到使波長連續可調，不會產生mode hop行為之頻率調變連續波光學雷達裝置。
為達以上之目的，本發明係一種頻率調變連續波光學雷達裝置， 係包括：一雷射光源產生器，係包含一光放大器模組及一連接該光放大器模組至少一端的反射元件，該光放大器模組係由數個第一發光增益區及數個第二發光增益區組成，該些第一發光增益區係在一飽和區域中進行操作，該些第二發光增益區係在一線性區域中操作，用以產生一雷射光並輸出，其中該雷射光源產生器通過將該些第一發光增益區推到該飽和區域中操作，壓抑強度調變，使其功率固定，即便電流產生變化，也只有頻率漂移，達到使波長連續可調，不會產生mode hop行為；以及一光達機構，係與該雷射光源產生器連接，該雷射光源產生器以該些第一發光增益區之飽和區域的固定功率特徵來調整被供應至該光達機構之雷射光，該光達機構接收並發射該雷射光（f1）至一待測物（Target）後，接收該待測物對應的一反射光（f2），經運算後，即可建立影像，顯示出藉由頻率差的大小而確定該待測物的速度與位置資訊。
於本發明上述實施例中，該反射元件為分散式布拉格反射器。
於本發明上述實施例中，該些第一發光增益區根據施加的第一電 流源而操作在飽和區域中，該些第二發光增益區根據施加的第二電流源而操作在線性區域中。
於本發明上述實施例中，該些第一發光增益區或該些第二發光增 益區可進一步耦接一偏壓旁路（BT）以接收一偏壓調變電壓，該偏壓調變電壓包括該第一電流源與一AC驅動電壓源，或該第二電流源與一AC驅動電壓源。
於本發明上述實施例中，該雷射光源產生器中該反射元件係連接 該光放大器模組第一端及第二端。
於本發明上述實施例中，該雷射光源產生器中該反射元件係水平 排列在該光放大器模組左右兩側的該第一端及該第二端。
於本發明上述實施例中，該雷射光源產生器為單模垂直共振腔面 射型雷射（vertical cavity surface emitting laser, VCSEL），該反射元件係垂直排列 在該第一發光增益區的上下兩側。
於本發明上述實施例中，該雷射光源產生器中該光放大器模組之 第二發光增益區為分布式反饋（distributed feedback, DFB）雷射，該反射元件係內置在該第二發光增益區之下方，該第一發光增益區係與該DFB雷射積體化配置在一起。
於本發明上述實施例中，該光達機構接收該雷射光後，經過一摻 鉺光纖放大器（erbium-doped fiber amplifier, EDFA）的輸出端分為兩路，分別為第一光路與第二光路，該第一光路上經過一循環泵（Circulator）與一第一準直儀（Collimator）將平行的雷射光出射到旋轉的二掃描鏡（Scan Mirror）後開始掃描一待測物（Target）後發生反射或散射，該待測物的反射光（f2）再沿原路回傳經該循環泵後進入到一訊號支路；該第二光路上經過一可變衰減器（Variable Attenuator）與一極化控制器（Polarization controller）將雷射光（f1）與該訊號支路上的反射光（f2）耦合，在通過一第二準直儀與一非球面透鏡（Aspheric Lenses）後進入一累增崩潰二極體（avalanche photodiode, APD），使耦合信號的差頻部分（f1-f2）被APD偵測到並由光訊號轉換為電訊號，電訊號再經過一低雜訊放大器（low noise amplifier, LNA）與一電子式頻譜儀（Electrical Spectrum Analyzer, ESA）運算後，即可建立影像，顯示出藉由頻率差的大小而確定該待測物的速度與位置資訊。
於本發明上述實施例中，該第一光路與第二光路的分光比為90： 10，且該第一光路的分光比占90%，該第二光路的分光比占10%。
於本發明上述實施例中，該第一、二發光增益區為半導體光放大 器（semiconductor optical amplifier, SOA）。
請參閱『第１圖～第４圖』所示，係分別為本發明頻率調變連續 波光學雷達裝置之第一實施例結構示意圖、本發明測試第一實施例結構之實驗結果圖、本發明頻率調變連續波光學雷達裝置之第二實施例結構示意圖、以及本發明頻率調變連續波光學雷達裝置之第三實施例結構示意圖。如圖所示：本發明係一種頻率調變連續波光學雷達裝置，其第一實施例結構如第１圖所示，係包括一雷射光源產生器１以及一光達機構２所構成。
該雷射光源產生器１係包含一光放大器模組１１及一連接該光 放大器模組１１至少一端的反射元件１２，該光放大器模組１１係由數個第一發光增益區１１１及數個第二發光增益區１１２組成，該些第一發光增益區１１１係在一飽和區域中進行操作，該些第二發光增益區１１２係在一線性區域中操作，用以產生一雷射光並輸出。其中，該第一、二發光增益區為半導體光放大器（semiconductor optical amplifier, SOA），該雷射光源產生器１中該反射元件１２係連接該光放大器模組１１第一端及第二端，且該反射元件１２為分散式布拉格反射器（distributed Bragg reflector, DBR）。
該光達機構２係與該雷射光源產生器１連接，該雷射光源產生器 １以該些第一發光增益區１１１之飽和區域的固定功率特徵來調整被供應至該光達機構２之雷射光，該光達機構２接收並發射該雷射光（f1）至一待測物（Target）３後，接收該待測物３對應的一反射光（f2），經運算後，即可建立影像，顯示出藉由頻率差的大小而確定該待測物的速度與位置資訊。如是，藉由上述揭露之流程構成一全新之頻率調變連續波光學雷達裝置。
上述第一發光增益區111根據施加的第一電流源I1而操作在飽和區域中，該些第二發光增益區112根據施加的第二電流源I2而操作在線性區域中。
上述第一發光增益區111或該些第二發光增益區112可進一步耦接一偏壓旁路(BT)13以接收一偏壓調變電壓，該偏壓調變電壓包括該第一電流源I1與一AC驅動電壓源V1，或該第二電流源I2與一AC驅動電壓源V1。
以下實施例僅舉例以供了解本發明之細節與內涵，但不用於限制本發明之申請專利範圍。
於第一實施例中，該雷射光源產生器1中該反射元件12係水平排列在該光放大器模組11左右兩側的第一端及第二端；而該光放大器模組11於本實施例中係以一個第一發光增益區111及二個第二發光增益區112組成為例。當運用時，以該第一發光增益區111經耦接該偏壓旁路13以在該飽和區域中進行操作，而該偏壓旁路13係根據接收該第一電流源I1及該AC驅動電壓源V1，而輸出偏壓調變電壓給該第一發光增益區111以控制該第一發光增益區111操作在飽和區域中，該些第二發光增益區112則根據施加的第二電流源I2而操作在線性區域中，俾以產生一雷射光源並輸出至該光達機構2。該光達機構2接收該雷射光，經過一摻鉺光纖放大器(erbium-doped fiber amplifier,EDFA)21的輸出端分為兩路，分別為第一光路P1與第二光路P2，該第一光路P1與第二光路P2的分光比為90：10，且該第一光路P1的分光比占90%，該第二光路P2的分光比占10%。該第一光路P1上經過一循環泵(Circulator)22與一第一準直儀(Collimator)23將平 行的雷射光出射到旋轉的二掃描鏡(Scan Mirror)24後開始掃描一待測物(Target)3後發生反射或散射，該待測物3的反射光(f2)再沿原路回傳經該循環泵22後進入到一訊號支路P3；該第二光路P2上經過一可變衰減器(Variable Attenuator)25與一極化控制器(Polarization controller)26將雷射光(f1)與該訊號支路P3上的反射光(f2)耦合，在通過一第二準直儀27與一非球面透鏡(Aspheric Lenses)28後進入一累增崩潰二極體(avalanche photodiode,APD)29，使耦合信號的差頻部分(f1-f2)被該APD 29偵測到並由光訊號轉換為電訊號，電訊號再經過一低雜訊放大器(low noise amplifier,LNA)30與一電子式頻譜分析儀(Electrical Spectrum Analyzer,ESA)31運算後，即可建立影像，顯示出藉由頻率差的大小而確定該待測物3的速度與位置資訊。
上述實施例的實驗結果如第2圖所示，圖中頻率表示深度，功率表示強度，可以量測到強度與深度，由第2圖呈現的實驗數據驗證本發明係可使用。
藉此，本發明操作相對簡單，所設計的雷射光源產生器通過將光放大器模組其中一些發光增益區推到飽和區域中操作，壓抑強度調變，使其功率固定，即便電流產生變化，也只有頻率漂移，達到使波長連續可調，不會產生模態跳躍(mode hop)行為的問題。
如第3圖所示，係本發明所提頻率調變連續波光學雷達裝置之第二實施例結構，其與第一實施例不同之處在於，該雷射光源產生器1中光放大器模組11之第二發光增益區112為分布式反饋(distributed feedback,DFB)雷射，該反射元件12係內置在第二發光增益區112之下方，第一發光增益區111係與該DFB雷射積體化配置在一起。並且，本實施例以第二發光增益區112耦接偏壓旁路13以接收偏壓調變電壓，該偏壓調變電壓包括第二電流源I2與AC驅動電壓源V1。
如第４圖所示，係本發明所提頻率調變連續波光學雷達裝置之第 三實施例結構，其與第一實施例不同之處在於，該雷射光源產生器１為單模垂直共振腔面射型雷射（vertical cavity surface emitting laser, VCSEL），該反射元件１２係垂直排列在該第一發光增益區１１１的上下兩側。
綜上所述，本發明係一種頻率調變連續波光學雷達裝置，可有效 改善習用之種種缺點，所設計的雷射光源產生器通過將光放大器模組中一些發光增益區推到飽和區域中操作，壓抑強度調變，使其功率固定，即便電流產生變化，也沒有強度調變，只有頻率漂移，達到可使波長連續可調，不會有模態跳躍（mode hop）行為產生的問題，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定 本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡 單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
雷射光源產生器１ 光放大器模組１１ 第一發光增益區１１１ 第二發光增益區１１２ 反射元件１２ 偏壓旁路１３ 光達機構２ 摻鉺光纖放大器２１ 循環泵２２ 第一準直儀２３ 掃描鏡２４ 可變衰減器２５ 極化控制器２６ 第二準直儀２７ 非球面透鏡２８ 累增崩潰二極體２９ 待測物３ 低雜訊放大器３０ 電子式頻譜分析儀３１ 反射光f2 雷射光f1 第一光路Ｐ１ 第二光路Ｐ２ 訊號支路Ｐ３ 第一電流源Ｉ１ 第二電流源Ｉ２ AC驅動電壓源Ｖ１
第１圖，係本發明頻率調變連續波光學雷達裝置之第一實施例結構示意圖。 第２圖，係本發明測試第一實施例結構之實驗結果圖 第３圖，係本發明頻率調變連續波光學雷達裝置之第二實施例結構示意圖。 第４圖，係本發明頻率調變連續波光學雷達裝置之第三實施例結構示意圖。
雷射光源產生器１ 光放大器模組１１ 第一發光增益區１１１ 第二發光增益區１１２ 反射元件１２ 偏壓旁路１３ 光達機構２ 摻鉺光纖放大器２１ 循環泵２２ 第一準直儀２３ 掃描鏡２４ 可變衰減器２５ 極化控制器２６ 第二準直儀２７ 非球面透鏡２８ 累增崩潰二極體２９ 待測物３ 低雜訊放大器３０ 電子式頻譜分析儀３１ 反射光f2 雷射光f1 第一光路Ｐ１ 第二光路Ｐ２ 訊號支路Ｐ３ 第一電流源Ｉ１ 第二電流源Ｉ２ AC驅動電壓源Ｖ１

Claims (11)

  1. 一種頻率調變連續波光學雷達裝置，係包括： 一雷射光源產生器，係包含一光放大器模組及一連接該光放大器模組至少一端的反射元件，該光放大器模組係由數個第一發光增益區及數個第二發光增益區組成，該些第一發光增益區係在一飽和區域中進行操作，該些第二發光增益區係在一線性區域中操作，用以產生一雷射光並輸出，其中該雷射光源產生器通過將該些第一發光增益區推到該飽和區域中操作，壓抑強度調變，使其功率固定，即便電流產生變化，也只有頻率漂移，達到使波長連續可調，不會產生模態跳躍（mode hop）行為；以及 一光達機構，係與該雷射光源產生器連接，該雷射光源產生器以該些第一發光增益區之飽和區域的固定功率特徵來調整被供應至該光達機構之雷射光，該光達機構接收並發射該雷射光（f1）至一待測物（Target）後，接收該待測物對應的一反射光（f2），經運算後，即可建立影像，顯示出藉由頻率差的大小而確定該待測物的速度與位置資訊。
  2. 依申請專利範圍第１項所述之頻率調變連續波光學雷達裝置，其中，該反射元件為分散式布拉格反射器（distributed Bragg reflector, DBR）。
  3. 依申請專利範圍第１項所述之頻率調變連續波光學雷達裝置，其中，該些第一發光增益區根據施加的第一電流源而操作在飽和區域中，該些第二發光增益區根據施加的第二電流源而操作在線性區域中。
  4. 依申請專利範圍第３項所述之頻率調變連續波光學雷達裝置，其中，該些第一發光增益區或該些第二發光增益區可進一步耦接一偏壓旁路（BT）以接收一偏壓調變電壓，該偏壓調變電壓包括該第一電流源與一AC驅動電壓源，或該第二電流源與一AC驅動電壓源。
  5. 依申請專利範圍第１項所述之頻率調變連續波光學雷達裝置，其中，該雷射光源產生器中該反射元件係連接該光放大器模組第一端及第二端。
  6. 依申請專利範圍第５項所述之頻率調變連續波光學雷達裝置，其中，該雷射光源產生器中該反射元件係水平排列在該光放大器模組左右兩側的該第一端及該第二端。
  7. 依申請專利範圍第１項所述之頻率調變連續波光學雷達裝置，其中，該雷射光源產生器為單模垂直共振腔面射型雷射（vertical cavity surface emitting laser, VCSEL），該反射元件係垂直排列在該第一發光增益區的上下兩側。
  8. 依申請專利範圍第１項所述之頻率調變連續波光學雷達裝置，其中，該雷射光源產生器中該光放大器模組之第二發光增益區為分布式反饋（distributed feedback, DFB）雷射，該反射元件係內置在該第二發光增益區之下方，該第一發光增益區係與該DFB雷射積體化配置在一起。
  9. 依申請專利範圍第１項所述之頻率調變連續波光學雷達裝置，其中，該光達機構接收該雷射光後，經過一摻鉺光纖放大器（erbium-doped fiber amplifier, EDFA）的輸出端分為兩路，分別為第一光路與第二光路，該第一光路上經過一循環泵（Circulator）與一第一準直儀（Collimator）將平行的雷射光出射到旋轉的二掃描鏡（Scan Mirror）後開始掃描一待測物（Target）後發生反射或散射，該待測物的反射光（f2）再沿原路回傳經該循環泵後進入到一訊號支路；該第二光路上經過一可變衰減器（Variable Attenuator）與一極化控制器（Polarization controller）將雷射光（f1）與該訊號支路上的反射光（f2）耦合，在通過一第二準直儀與一非球面透鏡（Aspheric Lenses）後進入一累增崩潰二極體（avalanche photodiode, APD），使耦合信號的差頻部分（f1-f2）被APD偵測到並由光訊號轉換為電訊號，電訊號再經過一低雜訊放大器（low noise amplifier, LNA）與一電子式頻譜儀（Electrical Spectrum Analyzer, ESA）運算後，即可建立影像，顯示出藉由頻率差的大小而確定該待測物的速度與位置資訊。
  10. 依申請專利範圍第９項所述之頻率調變連續波光學雷達裝置，其中，該第一光路與第二光路的分光比為90：10，且該第一光路的分光比占90%，該第二光路的分光比占10%。
  11. 依申請專利範圍第１項所述之頻率調變連續波光學雷達裝置，其中，該第一、二發光增益區為半導體光放大器（semiconductor optical amplifier, SOA）。
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