ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ МНОГОЧАСТОТНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ЛОКАЦИИ И СПОСОБ ЕЕ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК G01C3/08 

Область техники

Изобретение относится к области трехмерной лазерной локации, а именно к волоконно-оптическим многоканальным лазерным системам с дискретным рядом спектральных частот на основе плотного волнового мультиплексирования (WDM) для применения в лазерных радарах.

Предшествующий уровень техники

Лазерные радары на основе лазерных диодов, широко используемых в телекоммуникации, применяют в локации удаленных объектов. Многоканальные лазерные радары используют для получения объемных изображений и увеличения быстродействия и разрешающей способности систем локации. При этом используют одночастотные лазерные диоды и соответствующие диапазону частот неселективные фотоприемники. Быстродействия достигаются за счет параллельной работы лазерных каналов и, следовательно, ускоряют процесс обработки сигналов в сравнении с последовательным процессом при сканировании пространства одним или двумя лучами. В патенте US 1999/5953110 лазерное излучение формируют линейкой (рядом) или матрицей лазерных диодов излучателя, облучают удаленный в пространстве объект и отраженное от объекта излучение регистрируют матрицей пигтэйлированных фотодиодов. Излучение на чип поступает по волокну, вход каждого из которых предварительно ориентируется под определенным углом, что является весьма трудоемкой операцией. Фотоприемники регистрируют широкополосный сигнал, полоса которого определяется разбросом частот всех лазеров, составляющих матрицу излучателя. Кроме того, лазерные диоды, используемые без стабилизации длины волны монохроматичного импульса излучения, из-за эффекта чирпирования оптической частоты, обуславливают дисперсионные искажения регистрируемых лазерных импульсов, все эти факторы ограничивают возможности одночастотного метода локации.

В патенте US 2008/7436494 В1 предложен одночастотный 3-D LADAR (3-мерный лазерный радар), в котором за счет использования интегральной многослойной технологии повышено быстродействие обработки входного сигнала рядом интегральных фотодиодов, однако однолучевая схема радара с последовательной схемой обработки сигнала проигрывает параллельной схеме при сканировании объекта в реальном времени. Кроме того, процесс обработки сигналов требует высокого временного разрешения при профилировании глубины объекта, что в свою очередь ограничено интерференционными эффектами однолучевой схемы.

Поэтому существует потребность в лазерной системе с более совершенной и эффективной оптической схемой. Многолучевая разночастотная лазерная локация свободна от указанных недостатков.

Описание изобретения

Существенными преимуществами обладает предлагаемая в изобретении оптическая система, основанная на формировании многоканальных разночастотных оптических сигналов рядом диодных лазеров передатчика с узкополосными фильтрами на основе резонаторов Фабри-Перро, с регистрацией отраженного от объекта излучения селективными по каждой частоте интегральными чипами оптического приемника, на частотах оптического передатчика с дискретным рядом спектральных частот на основе плотного волнового мультиплексирования (WDM).

На фиг.1 изображена блок-схема оптической системы, реализующая способ для многочастотной лазерной локации. Предлагаемая оптическая система (1) лазерной локации обеспечивает:

- вывод в пространство оптического излучения (10), состоящего из множества непересекающихся лазерных лучей, генерируемых оптическим передатчиком (50) на основе волоконно-оптического лазерного модуля (60) с дискретным рядом спектральных частот (рядом длин волн: λ1, λ2, …, λN) на основе плотного волнового мультиплексирования (WDM),

- облучение удаленного в пространстве объекта (20) составным пятном излучения (21) от непересекающихся разночастотных лазерных лучей (10), сформированных оптическим конфигуратором (120) передатчика (50),

- регистрацию отраженного от объекта излучения (30) селективным по каждой частоте оптическим приемником (40) на основе волоконно-оптического фотодиодного модуля (160) на частотах оптического передатчика.

Лазерный модуль (60) содержит ряд ветвей (1, 2, …, N) резонаторов Фабри-Перо с общим выходным волокном (70), содержащим не глухое зеркало (80) - общее для ряда ветвей резонаторов Фабри-Перо, а внутри каждой ветви резонатора содержится чип (90) лазерного диода (LD) с глухим зеркалом (100) резонатора с одной стороны, другой же излучающей стороной чип контактирует с одним из входных каналов мультиплексора на основе дифракционной решетки на массиве волноводов, так называемого AWG-мультиплексора лазерного модуля (110), общий выходной канал которого сопряжен с общим выходным волокном (70) резонаторов Фабри-Перо, содержащим неглухое зеркало (80), волокно (70) обеспечивает вывод излучения из лазерного модуля (60).

Оптическая система (1) содержит оптический конфигуратор (120) передатчика для конфигурирования выходного излучения (10), вход которого соединен волокном с выходом лазерного модуля (60) и является общим входным каналом демультиплексора на основе дифракционной решетки на массиве волноводов, AWG-демультиплексора конфигуратора (130) передатчика (120), многоканальный выход которого сопряжен с оптическим конвертером (140) конфигуратора, обеспечивающего вывод в пространство оптического излучения.

В оптической системе (1) на конфигуратор передатчика поступает усиленный волоконным оптическим усилителем (ОАМР) (71) сигнал с выхода лазерного модуля (60).

В оптической системе (1) на входе оптического приемника (30) содержится оптический конвертер (170) приемника для регистрации и передачи по волокну излучения (30) в общий канал мультиплексора на основе дифракционной решетки на массиве волноводов (180), AWG-мультиплексора фотодиодного модуля (160), каждый из выходных каналов (1, 2, …, N) которого сопряжен с чипом фотодиода (PD) (190) и имеет такую же полосу пропускания, как и другие: AWG-мультиплексор лазерного модуля (110) и демультиплексор конфигуратора (130) передатчика.

Достигается это согласование спектральных характеристик мультиплексора и демультиплексоров на основе дифракционной решетки на массиве волноводов наличием обратной связи по температуре посредством датчиков температуры (TS) на AWG-мультиплексоре (110) и демультиплексорах (130, 180), а также наличием термоэлектрических конвертеров (ТЕС), по меньшей мере, только в лазерном и фотодиодном модулях, в контакте с AWG-мультиплексором (110) и демультиплексором (180). Внешняя электронная схема управления на фиг.1 не показана, поскольку является общеизвестным решением электронных стабилизаторов температуры систем управления.

В оптической системе (1) модуляция мощности излучения лазерного диода (90) осуществляется прямой модуляцией тока лазерного диода или сорбционным модулятором (91), содержащимся на излучающей стороне чипа лазерного диода.

Также в изобретении предлагается способ многочастотной лазерной локации в соответствии с фиг.1, в котором предусматривается:

- вывод в пространство оптического излучения (10), состоящего из множества непересекающихся лазерных лучей, генерируемых оптическим передатчиком (50) на основе волоконно-оптического лазерного модуля (60) с дискретным рядом спектральных частот (рядом длин волн: λ1, λ2, …, λN) на основе плотного волнового мультиплексирования (WDM),

- облучение удаленного в пространстве объекта (20) составным пятном излучения (21) от непересекающихся разночастотных лазерных лучей (10), сформированных оптическим конфигуратором (120) передатчика (50),

- регистрация отраженного от объекта излучения (30) селективным по каждой частоте оптическим приемником (40) на основе волоконно-оптического фотодиодного модуля (160) на частотах оптического передатчика.

В способе локации дискретный ряд спектральных частот на основе плотного волнового мультиплексирования формируется в лазерном модуле. Лазерный модуль содержит ряд ветвей (1, 2, …, N) резонаторов Фабри-Перо с общим выходным волокном (70), содержащим неглухое зеркало (80) - общее для ряда ветвей резонаторов Фабри-Перо, а внутри каждой ветви резонатора содержится чип (90) лазерного диода (LD) с глухим зеркалом (100) резонатора с одной стороны, другой же излучающей стороной чип контактирует с одним из входных каналов мультиплексора на основе дифракционной решетки на массиве волноводов (110), AWG-мультиплексора лазерного модуля (110), общий выходной канал которого сопряжен с общим выходным волокном (70) резонаторов Фабри-Перо, содержащим неглухое зеркало (80), волокно (70) обеспечивает вывод излучения из лазерного модуля (60).

В способе многочастотной лазерной локации конфигурирование выходного излучения оптического передатчика в виде пятна непересекающихся лучей осуществляется посредством конфигуратора передатчика (120), вход которого соединен волокном с выходом лазерного модуля и является общим входным каналом демультиплексора на основе дифракционной решетки на массиве волноводов, AWG-демультиплексора (130) конфигуратора передатчика (120), многоканальный выход которого сопряжен с оптическим конвертером (140) конфигуратора, обеспечивающего вывод в пространство оптического излучения.

Далее в способе локации осуществляется оптическое усиление мощности всех частотных каналов в передатчике перед их конфигурированием в пучок непересекающихся лучей. Для этого на конфигуратор передатчика поступает усиленный волоконным оптическим усилителем (ОАМР) (71) сигнал с выхода лазерного модуля (60).

Далее в способе локации осуществляют регистрацию отраженного от объекта излучения (30), для чего на входе оптического приемника (30) содержится оптический конвертер (170) приемника для регистрации и передачи по волокну излучения (30) в общий канал мультиплексора на основе дифракционной решетки на массиве волноводов (180), AWG-мультиплексора фотодиодного модуля (160), каждый из выходных каналов (1, 2, …, N) которого сопряжен с чипом фотодиода (PD) (190) и имеет такую же полосу пропускания, как и другие: AWG-мультиплексор лазерного модуля (110) и демультиплексор конфигуратора (130) передатчика.

Достигается это согласование спектральных характеристик мультиплексора и демультиплексоров на основе дифракционной решетки на массиве волноводов наличием обратной связи по температуре посредством датчиков температуры (TS) на AWG-мультиплексоре (110) и демультиплексорах (130, 180), а также и наличием термоэлектрических конвертеров (ТЕС), по меньшей мере, только в лазерном и фотодиодном модулях, в контакте с AWG-мультиплексором (110) и демультиплексором (180). Внешняя электронная схема управления на фиг.1 не показана, поскольку является общеизвестным решением электронных стабилизаторов температуры систем управления.

В предлагаемом способе модуляция мощности излучения лазерного диода (LD) осуществляется прямой модуляцией тока лазерного диода или сорбционным модулятором (91), сформированным на излучающей стороне лазерного чипа (90) микроэлектронным способом при формировании фотодиода.

Краткое описание чертежей

Для лучшего понимания сути изобретения служит фиг.1, на которой обозначены:

1 - лазерная система,

10 - выходное излучение из ряда непересекающихся разночастотных лучей с рядом длин волн: λ1, λ2, …, λN,

20 - удаленный объект в пространстве, подвергаемый облучению,

21 - составное пятно от непересекающихся N лучей,

30 - отраженное от объекта регистрируемое излучение,

40 - оптический приемник излучения,

50 - оптический передатчик,

60 - лазерный модуль передатчика,

70 - выходное волокно лазерного модуля,

71 - волоконно-оптический усилитель (ОАМР),

72 - выходное волокно ОАМР,

80 - неглухое зеркало,

90 - чип лазерного диода (LD),

100 - глухое зеркало,

110 - мультиплексор на основе дифракционной решетки на массиве волноводов, AWG-мультиплексор лазерного модуля,

120 - конфигуратор оптического передатчика,

130 - демультиплексор на основе дифракционной решетки на массиве волноводов, AWG-демультиплексор конфигуратора,

140 - конвертер оптического конфигуратора передатчика,

150 - выход оптического излучения передатчика,

160 - фотодиодный модуль оптического приемника,

161 - входное волокно фотодиодного модуля,

180 - AWG-демультиплексор,

170 - оптический конвертер приемника,

190 - чип фотодиода.

Осуществление изобретения

Для осуществления изобретения могут быть использованы чипы недорогих лазерных диодов и фотодиодов, длина волны которых определяется дифракционной решеткой на массиве волноводов, выполненной на кварцевой пластине, закрепленной на термоэлектрическом конвертере типа Пельтье. Датчиком температуры может служить терморезистор. Неглухое зеркало лазерного модуля может быть полупроводниковым многослойным или выполненным на основе волоконной брэгговской решетки. Оптический конвертер может содержать как элементы объемной оптики - выпуклые линзы, так и элементы микрооптики. Сорбционный модулятор, встроенный в лазерный диод, выполняют в едином технологическом цикле. Волоконно-оптический усилитель может быть эрбиевым или рамановским для увеличения мощности оптических сигналов в диапазоне длин волн 1548-1561 нм. Ширина спектральной линии - около 0,2 нм, количество каналов оптического передатчика по числу чипов лазерного модуля - до 60 и более каналов.

Промышленная применимость

Настоящее изобретение может быть эффективно применено в оптической локации высокого объемного разрешения в реальном масштабе времени.

Оптическая система обеспечивает вывод в пространство оптического излучения, облучение удаленного в пространстве объекта и регистрацию отраженного от объекта излучения. Оптическое излучение состоит из множества непересекающихся лазерных лучей, генерируемых оптическим передатчиком на основе волоконно-оптического лазерного модуля с дискретным рядом спектральных частот на основе плотного волнового мультиплексирования. Объект облучается составным пятном излучения от непересекающихся разночастотных лазерных лучей, сформированных оптическим конфигуратором передатчика. Регистрация отраженного от объекта излучения осуществляется селективным по каждой частоте оптическим приемником на основе волоконно-оптического фотодиодного модуля на частотах оптического передатчика. Технический результат - повышение быстродействия. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Оптическая система для многочастотной лазерной локации, обеспечивающая
вывод в пространство оптического излучения, состоящего из множества непересекающихся лазерных лучей, генерируемых оптическим передатчиком на основе волоконно-оптического лазерного модуля с дискретным рядом спектральных частот на основе плотного волнового мультиплексирования,
облучение удаленного в пространстве объекта составным пятном излучения от непересекающихся разночастотных лазерных лучей, сформированных оптическим конфигуратором передатчика,
регистрацию отраженного от объекта излучения селективным по каждой частоте оптическим приемником на основе волоконно-оптического фотодиодного модуля на частотах оптического передатчика.

2. Оптическая система для многочастотной лазерной локации по п.1, в которой лазерный модуль содержит ряд ветвей резонаторов Фабри-Перо с общим выходным волокном, содержащим неглухое зеркало - общее для ряда ветвей резонаторов Фабри-Перо, а внутри каждой ветви резонатора содержится чип лазерного диода с глухим зеркалом резонатора с одной стороны, другой же излучающей стороной чип контактирует с одним из входных каналов мультиплексора на основе дифракционной решетки на массиве волноводов - мультиплексора лазерного модуля, общий выходной канал которого сопряжен с общим выходным волокном резонаторов Фабри-Перо, содержащим неглухое зеркало, и обеспечивает вывод излучения из лазерного модуля.

3. Оптическая система для многочастотной лазерной локации по п.2, оптический конфигуратор (120) передатчика для конфигурирования выходного излучения, вход которого соединен волокном с выходом лазерного модуля и является общим входным каналом демультиплексора на основе дифракционной решетки на массиве волноводов - демультиплексора конфигуратора передатчика, многоканальный выход которого сопряжен с оптическим конвертером конфигуратора, обеспечивающего вывод в пространство оптического излучения.

4. Оптическая система для многочастотной лазерной локации по п.3, в которой на вход конвертера передатчика поступает усиленный волоконным оптическим усилителем сигнал с выхода лазерного модуля.

5. Оптическая система для многочастотной лазерной локации по п.1, в которой на входе оптического приемника содержится оптический конвертер приемника для регистрации и передачи по волокну излучения в общий канал мультиплексора на основе дифракционной решетки на массиве волноводов - мультиплексора фотодиодного модуля, каждый из выходных каналов которого сопряжен с чипом фотодиода и имеет такую же полосу пропускания как и другие: мультиплексор лазерного модуля и демультиплексор конфигуратора передатчика.

6. Оптическая система для многочастотной лазерной локации по п.5, в которой обеспечивается согласование спектральных характеристик мультиплексора и демультиплексоров на основе дифракционной решетки на массиве волноводов наличием обратной связи по температуре посредством датчиков температуры, а также наличием термоэлектрических конвертеров, по меньшей мере, только в лазерном и фотодиодном модулях.

7. Оптическая система для многочастотной лазерной локации по п.2, в которой модуляция мощности излучения лазерного диода осуществляется прямой модуляцией тока лазерного диода или сорбционцым модулятором, содержащимся на излучающей стороне чипа лазерного диода.

8. Способ многочастотной лазерной локации, предусматривающий
вывод в пространство оптического излучения, состоящего из множества непересекающихся лазерных лучей, генерируемых оптическим передатчиком на основе волоконно-оптического лазерного модуля с дискретным рядом спектральных частот на основе плотного волнового мультиплексирования,
облучение удаленного в пространстве объекта составным пятном излучения от непересекающихся разночастотных лазерных лучей, сформированных оптическим конфигуратором передатчика,
регистрацию отраженного объектом излучения селективным по каждой частоте оптическим приемником на основе волоконно-оптического фотодиодного модуля, на частотах оптического передатчика.

9. Способ многочастотной лазерной локации по п.8, в котором дискретный ряд спектральных частот на основе плотного волнового мультиплексирования формируется в лазерном модуле, содержащем ряд ветвей резонаторов Фабри-Перо с общим выходным волокном, содержащим не глухое зеркало - общее для ряда ветвей резонаторов Фабри-Перо, а внутри каждой ветви резонатора содержится чип лазерного диода с глухим зеркалом резонатора с одной стороны, другой же излучающей стороной чип контактирует с одним из входных каналов мультиплексора на основе дифракционной решетки на массиве волноводов - мультиплексора лазерного модуля, общий выходной канал которого сопряжен с общим выходным волокном резонаторов Фабри-Перо, содержащим не глухое зеркало, и обеспечивает вывод излучения из лазерного модуля.

10. Способ многочастотной лазерной локации по п.9, в котором конфигурирование выходного излучения оптического передатчика, в виде пятна непересекающихся лучей, осуществляется посредством конфигуратора передатчика, для конфигурирования выходного излучения, вход которого соединен волокном с выходом лазерного модуля, и является общим входным каналом демультиплексора на основе дифракционной решетки на массиве волноводов - демультиплексора конфигуратора передатчика, многоканальный выход которого сопряжен с оптическим конвертером конфигуратора, обеспечивающего вывод в пространство оптического излучения.

11. Способ многочастотной лазерной локации по п.10, в котором осуществляется оптическое усиление мощности всех частотных каналов в передатчике перед их конфигурированием в пучок непересекающихся лучей.

12. Способ многочастотной лазерной локации по п.8, в котором осуществляется регистрация отраженного от объекта сигнала посредством оптического приемника, содержащего на входе оптический конвертер приемника для регистрации и передачи по волокну излучения в общий канал мультиплексора на основе дифракционной решетки на массиве волноводов - мультиплексора фотодиодного модуля, каждый из выходных каналов которого сопряжен с чипом фотодиода, и имеет такую же полосу пропускания как и другие: мультиплексор лазерного модуля и демультиплексор конфигуратора передатчика.

13. Способ многочастотной лазерной локации по п.12, в котором обеспечивается согласование спектральных характеристик мультиплексора и демультиплексоров на основе дифракционной решетки на массиве волноводов наличием обратной связи по температуре посредством датчиков температуры, а также наличием термоэлектрических конвертеров, по меньшей мере, только в лазерном и фотодиодном модулях.

14. Способ многочастотной лазерной локации по п.13, в котором модуляция мощности излучения лазерного диода осуществляется прямой модуляцией тока лазерного диода или сорбционным модулятором (91), сформированным на излучающей стороне лазерного чипа.