应用于激光雷达的脉冲光纤激光器装置的制作方法

1.本发明涉及激光雷达领域，尤其涉及光纤激光器技术领域，具体是指一种应用于激光雷达的脉冲光纤激光器装置。


背景技术：

2.随着人们对智能汽车需求增加，自动驾驶及自动辅助驾驶技术取得了快速发展，其中激光雷达作为智能汽车的“眼睛”，发挥着越来越重要的作用。激光雷达存在各种各样的技术解决方案，其中1550nm激光雷达具备探测距离远，人眼安全功率高等特点而成为研究焦点。
3.1550nm激光雷达为获得更远的探测距离，要求激光器输出千瓦甚至数千瓦的峰值功率。基于此要求，1550nm光纤激光器成为了唯一可以满足该要求的技术方案。然而，为获得高对比的成像效果，要求激光器具备超高的光信噪比(osnr)及超低的自发辐射噪声(ase)。光纤激光器受有源光纤自发辐射的影响，osnr产生了严重的劣化，因此，获取高峰值功率的同时保证高的光信噪比成为了研究热点。另一方面，随着激光雷达技术的发展，对光纤激光器的体积及功耗，成本提出了越来越高要求。
4.为获得高信噪比的激光器传统技术方案通过采用掺铒光纤放大器(edfa)及铒镱共掺光纤放大器(eydfa)的双级技术方案进行实现。该方案可以获得较高的峰值功率及osnr,但由于一级放大及二级放大均采用传统分立器件其具备更大的光路熔接损耗，高大的体积及更高的成本，同时引起更低的可靠性。
5.基于上述因素一款可产生高输出功率、高信噪比的同时具备极简的光路以及超紧凑结构的脉冲光源显得迫在眉睫。


技术实现要素：

6.本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足功率大、功耗低、结构小的应用于激光雷达的脉冲光纤激光器装置。
7.为了实现上述目的，本发明的应用于激光雷达的脉冲光纤激光器装置如下：
8.该应用于激光雷达的脉冲光纤激光器装置，其主要特点是，所述的装置包括：
9.一体化种子光源，用于提供信号种子光及一级放大；
10.环形器，与所述的一体化种子光源相连，用于将一体化种子光源的输出光传输进入合束器，并输出双程放大后的返回光信号；
11.泵浦激光器，用于发出泵浦激光，为激光放大提供能量；
12.合束器，与所述的环形器和泵浦激光器相连，用于将泵浦激光器产生的泵浦激光与经过环形器的光信号耦合在一起；
13.铒镱共掺光纤，与所述的合束器相连，用于对接收的耦合信号进行放大并传输至光栅，以及对光栅反射的光信号再次放大，实现双程放大；
14.光栅，与所述的铒镱共掺光纤相连接，用于将铒镱共掺光纤输出的光信号反射回
铒镱共掺光纤。
15.较佳地，所述的一体化种子光源包括种子激光器、泵浦激光器、耦合透镜和掺铒光纤，所述的种子激光器发出光信号，所述的泵浦激光器发出泵浦光，所述的光信号和泵浦光均射入耦合透镜，所述的耦合透镜将光信号和泵浦光合并进入掺铒光纤。
16.较佳地，所述的一体化种子光源还包括第一准直镜、第一隔离器、第一反射镜、第二反射镜、第二准直镜和第二隔离器，所述的第一准直镜和第一隔离器依次放置且位于同一轴线，第一反射镜接收第一隔离器传出的光信号并反射入第二反射镜，第二反射镜将接收的光信号反射入耦合透镜；所述的第二准直镜和第二隔离器依次放置且位于同一轴线，所述的泵浦光经过第二准直镜和第二隔离器也射入耦合透镜。
17.较佳地，所述的环形器具有3个端口，第二个端口输出第一个端口的输入光，第三个端口输出第二个端口的输入光。
18.较佳地，所述的环形器的第三个端口与第一个端口及第二个端口具有50db的隔离度。
19.较佳地，所述的装置还包括分光耦合器和光电探测器，所述的分光耦合器安装在环形器的输出端，所述的光电探测器与所述的分光耦合器相连，所述的分光耦合器和光电探测器用于检测输出功率。
20.较佳地，所述的一体化种子光源将种子激光器和泵浦激光器集成封装于金属壳体内，所述的掺铒光纤作为激光输出尾纤。
21.较佳地，所述的种子激光器为1550nm的芯片；所述的泵浦激光器为980nm的芯片。
22.采用了本发明的应用于激光雷达的脉冲光纤激光器装置，一体化种子光源的结构获得高输出功率，有效避免传统技术方案中采用分立元器件作为原材料并进行熔接的预放技术方案，在获取高功率及高信噪比的同时有效降低器件成本及加工难度，可避免采用传统预放方案。一体化集成预放的结构有效降低激光器控制电路设计难度同时大幅节约电子元器件，有效降低成本及提高可靠性。一体化集成的结构使得半导体激光器的直接输出即可具备更高的输出功率，其可直接代替传统的预放方案，使得光纤激光器具备超紧凑集成能力。功放部分采用双程放大的技术方案，有效提高泵浦转化效率的同时缩短有源光纤长度。同时，更短的光纤长度有利于提生光纤非线性阈值，保证该激光器具备获取更高的峰值功率的能力。高度集成化的预放设计以及极简的功放设计使得该激光雷达光源批量商用成为可能。
附图说明
23.图1为本发明的应用于激光雷达的脉冲光纤激光器装置的结构示意图。
24.图2为本发明的应用于激光雷达的脉冲光纤激光器装置的一体化种子光源的结构示意图。
25.图3为本发明的应用于激光雷达的脉冲光纤激光器装置的实施例的结构示意图。
具体实施方式
26.为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
27.本发明的该应用于激光雷达的脉冲光纤激光器装置，其中包括：
28.一体化种子光源，用于提供信号种子光及一级放大；
29.环形器，与所述的一体化种子光源相连，用于将一体化种子光源的输出光传输进入合束器，并输出双程放大后的返回光信号；
30.泵浦激光器，用于发出泵浦激光，为激光放大提供能量；
31.合束器，与所述的环形器和泵浦激光器相连，用于将泵浦激光器产生的泵浦激光与经过环形器的光信号耦合在一起；
32.铒镱共掺光纤，与所述的合束器相连，用于对接收的耦合信号进行放大并传输至光栅，以及对光栅反射的光信号再次放大，实现双程放大；
33.光栅，与所述的铒镱共掺光纤相连接，用于将铒镱共掺光纤输出的光信号反射回铒镱共掺光纤。
34.作为本发明的优选实施方式，所述的一体化种子光源包括种子激光器、泵浦激光器、耦合透镜和掺铒光纤，所述的种子激光器发出光信号，所述的泵浦激光器发出泵浦光，所述的光信号和泵浦光均射入耦合透镜，所述的耦合透镜将光信号和泵浦光合并进入掺铒光纤。
35.作为本发明的优选实施方式，所述的一体化种子光源还包括第一准直镜、第一隔离器、第一反射镜、第二反射镜、第二准直镜和第二隔离器，所述的第一准直镜和第一隔离器依次放置且位于同一轴线，第一反射镜接收第一隔离器传出的光信号并反射入第二反射镜，第二反射镜将接收的光信号反射入耦合透镜；所述的第二准直镜和第二隔离器依次放置且位于同一轴线，所述的泵浦光经过第二准直镜和第二隔离器也射入耦合透镜。
36.作为本发明的优选实施方式，所述的环形器具有3个端口，第二个端口输出第一个端口的输入光，第三个端口输出第二个端口的输入光。
37.作为本发明的优选实施方式，所述的环形器的第三个端口与第一个端口及第二个端口具有50db的隔离度。
38.作为本发明的优选实施方式，所述的装置还包括分光耦合器和光电探测器，所述的分光耦合器安装在环形器的输出端，所述的光电探测器与所述的分光耦合器相连，所述的分光耦合器和光电探测器用于检测输出功率。
39.作为本发明的优选实施方式，所述的一体化种子光源将种子激光器和泵浦激光器集成封装于金属壳体内，所述的掺铒光纤作为激光输出尾纤。
40.作为本发明的优选实施方式，所述的种子激光器为1550nm的芯片；所述的泵浦激光器为980nm的芯片。
41.本发明的具体实施方式中，提供一种激光雷达用脉冲光源。通过对其预放采用一体化集成化设计技术以及对其功放采用双程放大技术，实现了在获得高峰值功率，高osnr的同时获得极小的结构尺寸及极低的功耗。
42.本发明具有如下结构：
43.一体化种子光源：为脉冲激光器提供信号种子光及一级放大；
44.环形器，一方面将一体化预放输出光传输入有源光纤，同时将双程放大的返回光输出，另一方面防止隔离外界回光，防止外界回光进入激光器以及阻止功放部分的ase进入预放；
45.合束器，将多模泵浦激光器产生的泵浦激光与信号光耦合在一根光纤中，并一起注入到铒镱共掺光纤中；
46.铒镱共掺光纤，激光放大的增益介质，吸收泵浦光能量，并将其转移至信号光，实现光放大；
47.泵浦激光器，多模泵浦激光器，为激光放大提供能量；
48.光栅，将信号光反射入有源光纤进行再次放大，而将残留泵光及ase噪声光输出。
49.本装置的工作原理如下：
50.一体化种子光源发出超高功率脉冲激光经环形器进入合束器，泵浦激光器发出泵浦激光经合束器与信号光一起进入有源光纤。有源光纤吸收泵浦光能量后通过原子受激辐射对信号进行放大，同时eydcf自发辐射产生ase。信号传输至光栅后，光纤光栅将信号光重新反射入有源光纤进行再次放大(实现双程放大)，而将ase噪声及残余泵浦光直接导出。信号光经双程放大后经环形器输出。
51.一体化种子光源的工作原理如下：
52.1550nm光芯片发出信号光，经第一准直镜、第一隔离器、第一反射镜及第二反射镜改变光传输后经耦合器耦合入掺铒光纤当中，同时，980nm光信号发出泵浦光，经第二准直镜，第二隔离器后经耦合透镜合并进入掺铒光纤。掺铒光纤中er3 吸收泵浦光从基态跃迁到激发态实现上能级粒子数反转，在信号光的作用下er3 从激发态跃迁到基态，同时发生受激光辐射将信号光放大。其中隔离器的作用为返回光射入光芯片。上述元器件集成封装于尺寸为5
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10
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15mm的金属壳体内，其中有源光纤作为激光输出尾纤。
53.一体化种子光源具有如下特点：
54.1、将种子光芯片，泵浦光芯片及掺铒光纤集成在一起获得超高功率种子光输出，即将种子光及pump光直接耦合入edfc，在对外传输的过程中直接对信号光进行放大。避免传统技术方案采用多个分立无源光器件生成预放的技术方案，在获取高功率的同时有效缩小元器件体积，减小元器件单元，降低熔接损耗，降低成本，提高可靠性及生产效率。
55.2、将种子激光器与泵浦激光器进行集成封装，其不仅具备体积紧凑，可靠性高，转化效率高等优点，在使用过程中仅需要一套驱动电路及可实现泵浦光及种子光输出。其有效避免传统光纤激光器中种子及泵浦激光器采用双套驱动电路的难题，有效降成本的同时缩小了驱动电路的体积以及设计难度，同时，极大提高了设备的可靠性。有益于脉冲光源模块的高度集成化。
56.3、采用同一套tec模块进行散热，无需两套tec制冷电路即可实现双激光器制冷效果。实际使用中节省一路电路元器件及对应空间。有效降低了电路成本及设计难度。有益于光源模块的高度集成化。
57.4、一体化集成封装于尺寸5
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10
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15mm，超紧凑结构，易于集成应用，一体化工艺封装具备高可靠性。
58.双程功放部分具有如下特点：
59.1、功放部分采用双程放大技术方案，有效提高泵浦转化效率的同时缩短有源光纤长度。同时，更短的光纤长度有利于提生光纤非线性阈值，保证该激光器具备获取更高的峰值功率的能力。
60.2、采用光栅型滤波器对信号光进行滤波，一方面，将eydcf在放大过程中产生的
ase噪声进行滤除，有效提声信号光osnr.另一方面，该光纤位置处于有源光纤纤芯，未被有源光纤的940nm泵浦光及ase光可以直接通过而不受影响，因此，残余泵浦光及ase噪声光可以直接被传输到有源光纤外部，其有效避免了传统技术方案中必须使用泵浦剥离器对残余泵浦光进行处理的难题。有效避免了残余泵浦光在节点处的热效应影响。同时无需采用泵浦剥离器有效降低设备的成本。
61.3、采用环形器进行信号光的传输，由于三端口环形器的光传输方式为：端口1的输入光只能从端口2输出，端口2的输入光只能从端口3输出。端口3与端口1及端口2之间具备50db隔离度，故输出端口无需使用隔离器即可避免返回光对激光器造成的影响。
62.如图3所示，本装置还可在主光路部分的输出端口增加检测输出功率用的分光耦合器和光电探测器，并配合于控制电路即可实现完整的光纤激光器。
63.本发明的具体实施例中，一种高度集成化的mopa光纤激光器的光路采用一级放大方案即可实现高osnr、高功率激光输出。一体化种子光源在重复频率：500k，脉冲宽度：3ns的情况下可获得2w的超高输出峰值功率；在泵浦输出功率：6w的情况下，经双程功放可获得脉冲峰值功率：1.0kw，osnr＝40db，且该结构可以集成到70
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50
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15mm3的紧凑结构内。
64.采用了本发明的应用于激光雷达的脉冲光纤激光器装置，一体化种子光源的结构获得高输出功率，有效避免传统技术方案中采用分立元器件作为原材料并进行熔接的预放技术方案，在获取高功率及高信噪比的同时有效降低器件成本及加工难度，可避免采用传统预放方案。一体化集成预放的结构有效降低激光器控制电路设计难度同时大幅节约电子元器件，有效降低成本及提高可靠性。一体化集成的结构使得半导体激光器的直接输出即可具备更高的输出功率，其可直接代替传统的预放方案，使得光纤激光器具备超紧凑集成能力。功放部分采用双程放大的技术方案，有效提高泵浦转化效率的同时缩短有源光纤长度。同时，更短的光纤长度有利于提生光纤非线性阈值，保证该激光器具备获取更高的峰值功率的能力。高度集成化的预放设计以及极简的功放设计使得该激光雷达光源批量商用成为可能。
65.在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。