前置光放大接收组件的制作方法

本发明涉及激光探测领域，特别涉及一种前置光放大接收组件。

背景技术：

目前，在激光测距、激光雷达、空间激光通信等系统中，接收通道一般采用耦合透镜+空间滤波器+光电探测器的配置，由于耦合透镜与空间滤波器均为空间光学元件，容易在振动冲击等恶劣环境下出现松动、偏移等问题，可靠性较差；此外，为了提升作用距离，光电探测器通常采用高灵敏度的雪崩光电二极管、单光子探测器或者带前置跨阻放大的接收组件，在近程探测条件下，由于激光回波信号太强而非常容易造成光电探测器饱和甚至损坏，也会导致近程探测盲区增大；而在远程探测条件下，由于受限于光电探测器本身灵敏度，最大作用距离也受到了限制。这大大限制了激光探测系统的实际使用效能，急需在确保激光探测系统高可靠性的情况下，提升其响应动态范围。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种动态响应范围大大提升，具有稳定性好、可靠性高、结构紧凑、便于系统集成的前置光放大接收组件。

为达上述目的所采用的技术方案是：

提供一种前置光放大接收组件，包括依次连接的多模光纤、可调谐带通光滤波器、可调谐光衰减器、光纤放大器和光开关；所述多模光纤一端熔接耦合球面透镜，另一端拉锥后与可调谐带通光滤波器连接；

该前置光放大接收组件还包括光电探测器和综合控制电路，所述光电探测器的输入端与所述光纤放大器的输出端连接，所述光电探测器的输出端与所述综合控制电路的输入端连接；所述综合控制电路的一个输出控制端与所述可调谐光衰减器连接，另一个输出控制端与所述光纤放大器的一个输入端连接；第三个输出控制端连接所述可调谐带通光滤波器；

输入光信号通过所述球面透镜进入拉锥后多模光纤，再进入所述可调谐带通光滤波器进行滤波，滤除输入光信号中的多余背景噪声；经滤波后的光信号进入所述可调谐光衰减器进行衰减，并经过所述光纤放大器进行增益放大，经放大后的光信号再耦合进入所述光电探测器中，所述光电探测器将光信号转换为电信号；

所述综合控制电路接收来自所述光电探测器输出的电信号，并依据输入光信号的强度大小进行调节，将输入光信号的大小调节至所述光电探测器响应的正常功率范围内。

接上述技术方案，所述球面透镜为半球形或椭球形结构。

接上述技术方案，所述光电探测器为光纤耦合式的pin或apd光电二极管，或者单光子探测器，光电探测器监控光纤放大器输出光的大小，并反馈到所述综合控制电路。

接上述技术方案，所述光开关为mems型，或磁光型，或电光型可调光开关。

接上述技术方案，所述多模光纤为大数值孔径多模光纤，芯径大于等于50μm，数值孔径大于等于0.12，其一端与球面透镜的球心耦合，另一端进行拉锥处理，并与单模光纤进行熔接。

接上述技术方案，所述可调谐带通光滤波器为300～2000nm波段内的尾纤式窄带光滤波器，通过光纤熔接方式，耦合到所述可调谐光衰减器上。

接上述技术方案，所述可调谐光衰减器为300～2000nm波段内的mems型或磁光型或电光型可调光衰减器中的一种，通过光纤熔接方式，耦合到所述光纤放大器上；

接上述技术方案，该综合控制电路包括接收控制电路、驱动温控电路、衰减控制电路、滤波控制电路和主控制电路，所述主控制电路通过所述接收控制电路与所述光电探测器连接，通过所述驱动温控电路与所述光纤放大器连接，通过所述衰减控制电路与所述可调谐光衰减器连接，还通过所述滤波控制电路与所述可调谐带通光滤波器连接；

输入光信号通过所述球面透镜进入拉锥后多模光纤，再进入所述可调谐带通光滤波器，所述主控制电路控制所述滤波控制电路调节所述可调谐带通光滤波器的中心波长和带宽，滤除输入光信号中的多余背景噪声；经滤波后的光信号进入所述可调谐光衰减器进行衰减，并经过所述光纤放大器进行增益放大，经放大后的光信号再耦合进入所述光电探测器中，所述光电探测器将光信号转换为电信号；所述接收控制电路接收来自所述光电探测器输出的电信号，进行低噪声放大，并对所述光电探测器进行增益控制，同时与所述主控制电路进行通信。

接上述技术方案，所述综合控制电路自动调节的过程为：

如果输入光信号超过一定强度，所述主控制电路分别通过所述衰减控制电路、所述驱动温控电路与所述接收控制电路进行组合调节，增大所述可调谐光衰减器的衰减倍数，降低所述光纤放大器的放大增益，同时降低所述光电探测器的增益大小，最终将输入光信号的大小降低至所述光电探测器响应的正常功率范围内；

如果输入光信号未达到一定强度，所述主控制电路分别通过所述驱动温控电路与所述接收控制电路进行组合调节，增大所述光纤放大器的放大增益和所述光电探测器的增益大小，最终将输入光信号的大小提升至所述光电探测器响应的正常功率范围内。

本发明产生的有益效果是：本发明的前置光放大接收组件，该组件采用全光纤光路设计，其采用一端熔接耦合球面透镜，另一端拉锥的大数值孔径多模光纤作为散射回波激光信号接收器，并对尾纤式可调谐带通光滤波器、尾纤式可调谐光衰减器、光纤放大器、尾纤式光电探测器以及尾纤式光开关进行熔接处理，显著提升了该组件的可靠性与环境适应性，同时通过综合控制电路动态组合调节尾纤式可调谐光衰减器与光纤放大器，结合尾纤式光开关，确保耦合进入探测系统探测器的功率值始终处于其线性区，动态响应范围大大提升，具有稳定性好、可靠性高、结构紧凑、便于系统集成等特点，可广泛应用于激光测距、激光雷达、空间激光通信等激光探测系统。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例前置光放大接收组件的结构示意图；

图2是本发明实施例主控制电路的具体结构及其连接关系示意图。

具体实施方式

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，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的前置光放大接收组件100，以1550nm的激光雷达为例，包括一端熔接耦合球面透镜01，另一端拉锥的大数值孔径多模光纤02、尾纤式可调谐带通光滤波器03、尾纤式可调谐光衰减器04、光纤放大器05、尾纤式光电探测器06、综合控制电路07及尾纤式光开关08，可调谐带通光滤波器03、可调谐光衰减器04、光电探测器06、光开关08均可选择尾纤式的，其中：

本发明的一个实施例中，球面透镜01可为半球形结构或者椭球形结构，可选择k9玻璃材料，该球形结构具有180度的视场角，最大限度地接收来自空间的散射激光信号，该实施例中主要用于接收空间的1550nm散射激光信号，通过熔接方式将其球心焦点处与105μm/125μm多模光纤端面进行耦合；

大数值孔径多模光纤02可为105μm/125μm多模光纤，数值孔径大于等于0.12，本发明的该实施例中选择0.22，其一端与球面透镜01的球心耦合，另一端进行拉锥处理，并与单模光纤(如smf28e)进行熔接，这样便于与市面上成熟的光纤元器件进行兼容，降低使用成本；

可调谐带通光滤波器03可为300～2000nm波段内的尾纤式窄带光滤波器，带宽范围可为几nm到几十nm。本发明该实施例中，波长调节范围1530～1565nm，带宽为10nm，通过光纤熔接方式，耦合到尾纤式可调谐光衰减器04上；

可调谐光衰减器04可为300～2000nm波段内的mems型或磁光型或电光型可调光衰减器中的一种，通过光纤熔接方式，耦合到光纤放大器05上。该实施例中工作波长为1550nm，衰减范围为0～80db，ttl电平直接驱动控制；

光纤放大器05，可为光纤放大器或尾纤式半导体光放大器。本发明的该实施例中选择低噪声掺铒光纤放大器，小信号放大增益达50db，通过光纤熔接方式，连接到尾纤式光电探测器06上；

光电探测器06，可为光纤耦合式的pin或apd光电二极管，或者单光子探测器，主要用于监控光纤放大器05输出光的大小，并反馈到综合控制电路07。该实施例中选择光纤耦合式pin光电二极管；

综合控制电路07，通过接收光纤耦合式pin光电二极管的监控信号，动态组合调节尾纤式可调谐光衰减器04与光纤放大器05，确保耦合进入尾纤式光开关08的功率值，满足系统要求；

尾纤式光开关08可为300～2000nm波段内的mems型或磁光型或电光型可调光开关中的一种，通过光纤熔接方式，耦合到探测系统的探测器上。本实施例中选择工作波长为1550nm的磁光型光开关，开关速度为50μs，消光比达60db，通过光纤熔接方式，耦合到探测系统的探测器上。

本发明的工作过程如下：

来自空间的散射激光信号(input端)，经球面透镜01耦合进入大数值孔径多模光纤02，经过一段拉锥区耦合进入尾纤式可调谐带通光滤波器03，该滤波器能够有效滤除多余的背景噪声，然后耦合进入尾纤式可调谐光衰减器04，该衰减器为了有效确保后端探测器因功率过高导致饱和或损坏，预先将衰减值设为40db，根据后面监控的功率大小动态调节：如果尾纤式光电探测器探测到功率值过高，继续增大衰减量，直至满足探测器的输入功率要求，此时，打开光开关，大小合适的光功率耦合到激光雷达的探测器端面；如果尾纤式光电探测器探测到功率值过低，减小衰减量，如果衰减量调节到0db，光信号仍然很小，此时打开光纤放大器直至输出满足探测器输入要求的功率值，此时，再打开光开关，大小合适的光功率耦合到激光雷达的探测器端面。这样，可以保证激光雷达系统中探测器的响应动态范围为80db+50db，即130db。而尾纤式光开关，能够最大程度地保护激光雷达系统的探测器免于功率损伤。

本发明的另一实施例中，如图2所示，该综合控制电路07包括接收控制电路71、驱动温控电路72、衰减控制电路73、滤波控制电路74和主控制电路75，所述主控制电路75通过所述接收控制电路71与光电探测器06连接，通过所述驱动温控电路72与光纤放大器05连接，通过所述衰减控制电路74与所述可调谐光衰减器04连接，还通过所述滤波控制电路74与可调谐带通光滤波器03连接；

输入光信号通过所述球面透镜01进入拉锥后多模光纤02，再进入所述可调谐带通光滤波器03，所述主控制电路75控制所述滤波控制电路74调节所述可调谐带通光滤波器03的中心波长和带宽，滤除输入光信号中的多余背景噪声；经滤波后的光信号进入所述可调谐光衰减器04进行衰减，并经过所述光纤放大器05进行增益放大，经放大后的光信号再耦合进入所述光电探测器06中，所述光电探测器06将光信号转换为电信号；所述接收控制电路71接收来自所述光电探测器06输出的电信号，进行低噪声放大，并对所述光电探测器06进行增益控制，同时与所述主控制电路75进行通信。

该实施例中，所述综合控制电路07自动调节的过程为：

如果输入光信号超过一定强度，所述主控制电路75分别通过所述衰减控制电路73、所述驱动温控电路74与所述接收控制电路71进行组合调节，增大所述可调谐光衰减器04的衰减倍数，降低所述光纤放大器05的放大增益，同时降低所述光电探测器06的增益大小，最终将输入光信号的大小降低至所述光电探测器06响应的正常功率范围内；

如果输入光信号未达到一定强度，所述主控制电路75分别通过所述驱动温控电路75与所述接收控制电路71进行组合调节，增大所述光纤放大器06的放大增益和所述光电探测器06的增益大小，最终将输入光信号的大小提升至所述光电探测器06响应的正常功率范围内。

综上，本发明的前置光放大接收组件采用全光纤光路设计，其采用一端熔接耦合球面透镜，另一端拉锥的大数值孔径多模光纤作为散射回波激光信号接收器，并对尾纤式可调谐带通光滤波器、尾纤式可调谐光衰减器、光纤放大器、尾纤式光电探测器以及尾纤式光开关进行熔接处理，显著提升了该组件的可靠性与环境适应性，同时通过综合控制电路动态组合调节尾纤式可调谐光衰减器与光纤放大器，结合尾纤式光开关，确保耦合进入探测系统探测器的功率值始终处于其线性区，动态响应范围大大提升，具有稳定性好、可靠性高、结构紧凑、便于系统集成等特点，可广泛应用于激光测距、激光雷达、空间激光通信等激光探测系统。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。