一种线性调频激光的生成方法及芯片

1.本发明属于激光雷达信号处理领域，具体涉及一种线性调频激光的生成方法及芯片。


背景技术：

2.调频连续波激光雷达是相干激光雷达的技术路线之一，其原理是通过检测本振光与反射光之间因往返时间产生的频差来得到目标距离或速度等信息，具有灵敏度高、抗干扰能力强、速度探测等优势。参考信号和回波信号的频率变化及差频信号的变化如图1所示，可以由公式和计算距离和径向速度。调频连续波的方法的关键技术是产生带宽高、速度快、线性度好的调频激光。目前，线性调频激光的产生主要有一下三种：
①
直接调制，通过控制温度、电流等条件改变激光腔性质，从而实现频率调制。然而，该方法的线性度较差，对测距精度造成不利影响，并且极易受温度等环境因素影响。
②
单边带调制（iq调制器，或叫正交调制器），利用两个频率相同单相位相差90
°
（正交）的正弦波调制载波，同时传送两路相互独立的信号的一种调制方式，只需要通过改变不同的iq基带信号就可以实现调频信号。再抑制掉频谱当中不需要的部分，仅保留上边带或下边带。虽然单边带调制产生的调频信号线性度好，但是芯片的损耗较大、输出功率较低，且线性度易受环境影响，限制了激光雷达的探测距离和分辨率，另外正交调制器的固有缺点在于本振泄漏和边带抑制，本振泄漏主要是由iq信号的直流偏置，iq差分信号的不平衡性以及本振和射频的隔离指标差等因素造成的。如果iq调制器完全理想，只会在产生一个单边带信号，但是由于调制器的不理想性，也会产生一个镜像信号，正交调制器会不可避免的存在非理想因素，使得输出信号产生各种失真，影响通信质量，所以正交调制器的射频性能需要进行全方面的测试。
③
光锁相环，是一种通过信号相位反馈控制激光器输出信号频率的系统，通常包括：等效鉴相器（pd）、等效压控振荡器（vco）和环路滤波器（lf）。等效鉴相器（pd）用于比较信号光与本振光之间的相位差，它通常由光耦合器、90
°
混频器和平衡探测器等来实现；lf具有低通功能，能够滤除高频噪声，通过改变lf的参数可以调整锁相环路的参数；vco利用相位差信号来控制本振激光器的输出，使本振光频率与信号光频率实现动态一致，即达到光学锁相但该方法系统的复杂度高，扫频速率有限。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种线性调频激光的生成方法，其具有稳定、线性度好的优势，并且生成系统结构简单可以统一集成到芯片里，不存在锁相环对速率的限制，可以使用任意波形发生器等设备进行高速扫频。上述目的通过如下技术方案实现：一种线性调频激光的生成方法，包括如下步骤：激光器产生固定频率的连续激光，激光频率为；射频信号源产生随时间线性变化调制信号，调制速率为
连续激光进行强度调制后在频率和（）处各产生一个边带信号；滤波器将频率（）或处的边带信号滤除，当调制速率随时间线性变化时其输出为线性调频激光。
4.作为本发明更优的技术方案，所述的激光器为半导体激光器或光纤激光器。
5.作为本发明更优的技术方案，所述的连续激光进行强度调制是通过电光强度调制器实现。
6.作为本发明更优的技术方案，所述的电光强度调制器为铌酸锂强度调制器或硅基马赫增德尔干涉器中的一种。
7.作为本发明更优的技术方案，所述的滤波器为法布里柏罗滤波器、微型谐振环滤波器或任何有一通带和一阻带的光学滤波器。
8.本发明还提供一种线性调频激光芯片，包括产生固定频率的连续激光的激光器，激光频率为；和产生随时间线性变化调制信号的射频信号源，调制速率为；和电光强度调制器，所述的电光强度调制器内连续激光经调制信号强度调制后在频率和（）处各产生一个边带信号；和滤波器，所述的滤波器将频率或（）处的边带信号滤除，输出线性调频激光。
9.有益效果如下：本发明提供的生成方法不需要调控温度、电压等条件，高线性度仅通过射频源调制实现，性能稳定不受环境因素影响，边带抑制比理论可达30-40db，现有iq调制器边带抑制比小于20db；本发明的生成系统即激光芯片结构简单，光强度调制器和可调谐滤波器等有利于集成到芯片，具有体积小和成本低的优势；本发明的激光芯片损耗理论上器件仅有3db插入损耗，现有iq调制器的插入损耗大于10db。
附图说明
图1是参考信号和回波信号的频率变化及差频信号的变化；图2是本发明的线性调频激光的生成方法流程图；图3是本发明的实施例1的线性调频激光的生成方法流程图；图4本发明的实施例1的电光强度调制器输出信号图。
具体实施方式
10.在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
11.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
12.在本发明中激光器输出的频率是固定的，激光频率为，经过强度调制后产生两边带和（），如果调制速率随时间线性变化，则边带也线性移动。根据需求，滤除一个边带或（），就得到线性调频的单边带激光。
13.在本发明中光谱线宽没有严格限制，可以根据应用选择。对于激光雷达应用，要求往返距离小于激光相干长度，即
△
v《c/（pi
×
d），
△
v为线宽，c为光速，d为单向距离，如果探测距离为200米，则线宽要小于477khz。
14.在本发明中激光功率没有严格限制，但是下限要符合信噪比要求，上限要符合后端强度调制器工作范围要求，否则会烧毁器件，通常为10-100mw；功率低时，也可以增加edfa或soa（两种光放大器）放大激光器功率到合适水平。
15.本发明中对于激光雷达应用，也要符合人眼安全标准，与波长、发散角等因素有关，对于1550nm的准直激光，人眼安全标准要求小于10mw。
16.本发明提出的线性调频激光的生成方法是通过电光强度调制器产生两个边带，再利用滤波器滤除一个边带，最终激光为单边带输出。
17.本发明的边带的频率偏移与强度调制器的调制频率相同，可以使用任意波形发生器等设备或者集成射频元件，容易地产生频率随时间线性变化的微波，用于驱动光强度调制器，使得边带的频率随时间线性移动。
18.如图2所示，本发明提供的线性调频激光的生成方法具体包括如下步骤：激光器产生固定频率的连续激光，激光频率为；射频信号源产生随时间线性变化调制信号，调制速率为连续激光进行强度调制后在频率和（）处各产生一个边带信号；滤波器将频率（）或处的边带信号滤除，当调制速率随时间线性变化时边带的频率跟着线性变化，其输出为线性调频激光。
19.在本发明中理想情况下是正弦信号，但实际的强度调制器有非线性效应，如果驱动信号是正弦信号，除
±
1阶边带外还会产生高阶边带，此问题可以通过迭代算法，找到只产生1阶边带的驱动波形，不影响本发明实施。
20.在一些实施例中，所述的线性强度调制通过电光强度调制器实现。
21.在一些实施例中，所述的电光强度调制器为铌酸锂强度调制器或硅基马赫增德尔干涉器中的一种。在本发明中电光强度调制器的结构可以是马赫增德尔、微环谐振腔等结构，不做限制；材料可以是铌酸锂或硅基，不做限制。
22.在一些实施例中，所述的滤波器为法布里柏罗滤波器、微型谐振环滤波器或任何有一通带和一阻带的光学滤波器。
23.实施例1如图3所示，本实施例以1550nm激光为例进行说明。
24.激光电场可由表示，激光功率正比于电场强度的模
的平方，即。
25.功率计的采样频率一般为1ghz，而以1550nm为例，其对应频率为126thz，两者差距5个数量级，故在一定时间范围内cos2ω0t的平均值为0，即光功率。
26.对于幅值可调的激光，从波动性可以看为两束光的干涉，其电场表示为其中为调制速率（ghz量级），产生了频率为（和（的光。
27.调制后对应光功率为如图4所示，由激光器产生1550nm激光接入1550nm电光强度调制器，负载射频信号rf进行线性调节，此时得到频率分别为（和（的光，再通过可调谐光纤法布里珀罗滤波器滤除边带，仅留下一个频率的光（。
28.其中，激光频率，电场强度，a幅值，相位，t时间，为调制速率，电场强度综上，通过射频信号完成的线性调节，得到线性调频激光。
29.本发明生成方法与iq调制器对比：通常iq调制器的损耗大于10db，且iq调制器的边带抑制比通常小于20db。本发明理论上仅有3db损耗，经过调制载波变为两个边带，两个边带功率相等，滤除一个边带后剩余能量为入射功率一半，即3db损耗，以fp腔滤波器为例，通带和阻带保证50db以上差值，容易实现30db以上的边带抑制比。
30.本发明生成方法与光锁相环系统对比：光锁相环系统比较复杂，而本发明仅需要调制器和滤波器，结构简单，并且可以统一集成到芯片里，同时不存在锁相环对速率的限制，通过使用awg（任意波形发生器）等设备，实现高速扫频。
31.所以，本发明还提供一种线性调频激光芯片，包括产生固定频率的连续激光的激光器，激光频率为；和产生随时间线性变化调制信号的射频信号源，调制速率为；和电光强度调制器，所述的电光强度调制器内连续激光经调制信号强度调制后在频率和（）处各产生一个边带信号；和滤波器，所述的滤波器将频率或（）处的边带信号滤除，输出线性调频激光。
32.本发明的线性调频激光芯片线性度高、稳定性高、损耗低、构造简单可以应用到调频连续波激光雷达fmcw lidar、光学相干断层扫描oct、光频域反射计ofdr等。
33.在本说明书的描述中，参考术语
ꢀ“
一些实施例”、等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多种实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
34.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种线性调频激光的生成方法，其特征在于，包括如下步骤：激光器产生固定频率的连续激光，激光频率为；射频信号源产生随时间线性变化调制信号，调制速率为连续激光进行强度调制后在频率和（）处各产生一个边带信号；滤波器将频率（）或处的边带信号滤除，当调制速率随时间线性变化时其输出为线性调频激光。2.如权利要求1所述的线性调频激光的生成方法，其特征在于，所述的连续激光进行强度调制是通过电光强度调制器实现。3.如权利要求2所述的线性调频激光的生成方法，其特征在于，所述的电光强度调制器为铌酸锂强度调制器或硅基马赫增德尔干涉器中的一种。4.如权利要求1所述的线性调频激光的生成方法，其特征在于，所述的滤波器为法布里柏罗滤波器、微型谐振环滤波器或任何有一通带和一阻带的光学滤波器。5.一种线性调频激光芯片，其特征在于，包括产生固定频率的连续激光的激光器，激光频率为；和产生随时间线性变化调制信号的射频信号源，调制速率为；和电光强度调制器，所述的电光强度调制器内连续激光经调制信号强度调制后在频率和（）处各产生一个边带信号；和滤波器，所述的滤波器将频率或（）处的边带信号滤除，输出线性调频激光。

技术总结
本发明属于激光雷达信号处理领域，提供一种线性调频激光的生成方法及芯片，激光器产生固定频率的连续激光，激光频率为；射频信号源产生随时间线性变化调制信号，调制速率为连续激光进行强度调制后在频率和（）处各产生一个边带信号；滤波器将频率（）或处的边带信号滤除，当调制速率随时间线性变化时其输出为线性调频激光，本发明优势为性能稳定不受环境因素影响、体积小和成本低、损耗低和抑制比高。抑制比高。抑制比高。


技术研发人员：王玉冰 赵树华 张明时 宋悦 雷宇鑫 秦莉 宋俊峰 王立军
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：2023.08.14
技术公布日：2023/9/13