基于磁光开关时分复用全固态激光雷达
近日，河北大学物理科学与技术学院，光信息技术创新中心王振川，刘雪生，郝鹏，姚晓天基于一飞通讯M1×8磁光开关速度快、可靠性高、串扰小等特点，搭建了时分复用全固态激光雷达实验系统，通过磁光开关将光路切换到二维光束阵列不同位置的光纤通道中，基于飞行时间（TOF）测距技术实现了激光雷达的快速三维成像。最终，通过对空间目标的测试构建三维点云图，验证该雷达系统全固态三维成像能力，实现了510.3Hz 的扫描频率和0.36°的角度分辨率，并通过微平移台可将角度分辨率提高到0.18°。该技术方案与MEMS 和光学相控阵的光束成像技术相比，具有低成本、能量利用率高和高光束质量等优点。
一飞通讯（E-Photics）成立18年来，与国内的高校和科研院所展开了深入的合作，涵盖了通信、传感、航空航天、仪表、雷达、风电以及自动驾驶等研究领域。凭借光器件行业的丰富经验和高速磁光开关、ns高速电光开关、高功率保偏磁光开关、机械光开关、多通道光开关、光纤跳线和光纤热缩保护管等系列产品，发挥定制开发、快速响应和优质服务的特点，为相关的研究项目提供了关键光器件，包括中国科学院、河北大学、南京航空大学、三峡大学、中电科第八研究所等。
以下内容转自王振川, 刘雪生, 郝鹏, 姚晓天. 基于磁光开关时分复用全固态激光雷达实验研究[J]. 激光与光电子学进展, 2023, 60(12): 12.
基于磁光开关的全固态激光雷达系统结构如图1（a）所示，波长为1550nm的DFB激光器发射激光进入到脉冲半导体光放大器（SOA）（PSOA15SM）中进行脉冲调制，通过任意函数发生器（AFG）（AFG3252C）产生重复频率100kHz且脉宽为5ns的脉冲信号驱动SOA将连续光调制成脉冲光。SOA输出的光脉冲峰值功率30mW（平均功率为15μW），随后经过EDFA（掺铒光纤放大器）（OAM-EDFA-C-PL-33，工作波段1540nm-1560nm）放大到峰值功率12W（平均功率为6mW），放大后的光脉冲经光环形器1端口输入，2端口输出到达1×8磁光开关（M1×8 Magnet Optical Switch，一飞通讯），磁光开关通过驱动板控制实现光脉冲在8个通道P1、P2…P8之间切换，P1、P2…P8各通道与光纤阵列中的8个通道相对应，经磁光开关输出的脉冲光分别进入二维（5×8）光纤阵列（5×8 125P2DFA-FC APC）中，光纤阵列输出端面位于收发光学透镜的焦平面处[15-16]。脉冲(b)(a)(c)光信号经过收发光学透镜的准直后形成平行光束，同时每个通道的脉冲光被偏转到不同的方向。脉冲光发射至探测目标发生漫反射[17]，反射光被收发光学透镜接收，收发光学透镜将回波脉冲光聚焦到与发射对应的光纤阵列端口，再次经过1×8磁光开关进入到环形器2端中，然后从环形器3端口进入InGaAs雪崩光电探测器（APD）（KY-APRM-200M-I-FC）将光信号转换成电信号，最后通过示波器(RTB2004，Rohde＆Schwarz)进行数据采集。脉冲信号调制时序控制方面，为了实现1×8磁光开关在切换状态下SOA调制产生的光脉冲均落在不同通道的通光时间内，需要将磁光开关驱动信号与任意波形发生器产生脉冲信号同步触发，通过任意波形发生器同时对SOA和磁光开关驱动模块进行控制来实现。
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3 实验结果
磁光开关基于法拉第旋光效应，通过控制磁光晶体外加磁场的方向，实现其对入射偏振光偏振面的改变，进行光路的切换。磁光开关的驱动电压低、串扰小，具有开关速度快、稳定性、可靠性高等特点。磁光开关的开关速度直接决定了激光雷达的扫描成像速度。磁光开关的插入损耗越大，激光雷达光链路损耗就越大，出射光的能量就越小，雷达的可探测距离就越短。磁光开关的回波反射信号也将被雷达的光电探测器所接收到，如磁光开关的回波信号太强，将导致光电探测器发生饱和现象，影响探测系统信号质量；同时回波损耗也将导致激光雷达的出射能量降低。因此，本文首先对系统采用的1×8 磁光开关的开关速度、插入损耗和回波损耗三个性能参数进行了测试。1550nm 半导体激光器为光源，发射出的光经1×8 磁光开关后经P1 到P8 端口输出，通过APD 分别探测光纤端口出射的光信号，用示波器对APD 探测的光信号和驱动磁光开关的脉冲电信号进行采样，最终得到不同通道的光信号与驱动磁光开关的脉冲电信号时序图如图2所示。其中tD为磁光开关延迟时间，tR1为磁光开关上升沿时间，tL 为磁光开关通光时间，tR2为磁光开关下降沿时间，tS为1×8 磁光开关阵列扫描阵列间延迟时间，T为1×8 磁光开关阵列扫描一个周期所需时间。同时用光功率计对1×8 磁光开关各通道的插入损耗（IL）和回波损耗（RL）进行测试。根据不同通道光信号与驱动脉冲信号的时域关系得到各通道的扫描特性参数值，并通过多次试验将各通道的扫描特性参数平均值记录于表1 中。
图2 1×8 磁光开关各通道光信号与驱动脉冲信号时域测试图。
表1 实验用1×8 磁光开关性能参数测试结果
从图2、表1 可以看出，通过P1通道光信号和驱动脉冲信号的关系可以得到tD= 45μs，通过P8 通道光信号和驱动脉冲信号的关系可以得到 ts= 200μs。分析表1 我们可以得到不同通道的上升沿时间tR1、通光时间tL和下降沿时间tR2 ，通过公式T=tD +8(tR1 +tL + tR2 )+ ts 得到1×8 磁光开关阵列扫描周期时间为1959.6μs 对应的激光雷达扫描频率为510.3Hz。根据表1 测试数据可以得到 1×8 磁光开关插入损耗IL≤1.35dB且回波损耗RL≥45.11dB。相比与MEMS 光开关， MEMS光开关插入损耗IL≤1.63dB、回波损耗RL≥42.3dB且通道间切换时间为ms量级，磁光开关开关速度快、插入损耗低且回波损耗小。同时，磁光开关的驱动电压为2.5V，通道串扰为40dB，偏振相关损耗为0.20dB，这些指标相对于MEMS 光开关在激光雷达应用方面也具有很好的技术指标优势。这些都更有利于实现基于磁光开关激光雷达大探测距离、高测距精度以及抑制通道信号的串扰。
