2μm全光纤外差接收模拟实验系统研究

2μm全光纤外差接收模拟实验系统研究

论文摘要

2μm相干激光测风雷达近年来国际上研究热点之一。2μm波段激光处于大气窗口,人眼安全,既有很好的大气透过率,又有很好的后向散射,是理想的激光测风雷达光源。在相干探测体制中,信号处理相对简单可靠,但这些优点均是建立在高稳定高功率2μm激光器基础上实现的。本论文利用2μmInGaAs半导体激光器,通过高精度温度和电流控制实现单纵模输出,采用自聚焦透镜将发散角为25°×50°的上述激光耦合到单模光纤,经声光移频、在线衰减器、探测器等构成2μm全光纤外差接收机模拟实验系统,研究确定最佳本振光功率,提高系统外差效率。实验确定了InGaAs半导体激光器输出波长与工作电流和温度的关系。InGaAs半导体激光器输出波长随温度和工作电流增加而增加。在18°C时,小电流易出现波长湮没现象,即不产生输出波长;在20°C时,大工作电流易出现多模现象。温度需要控制在19°C时,最佳工作电流范围为220mA-250mA之间,半导体激光器稳定输出单纵模,波长为2.106μm,束散角为25°×50°。根据自聚焦透镜传播理论和半导体激光器光束角参数,利用ZEMAX软件设计自聚焦透镜最佳长度为7.7mm,实现了2μmInGaAs半导体激光器与单模光纤的耦合。耦合效率理论值约为23%。实验测得其耦合效率约为10%,透镜端面与光纤端面有平行错位,透镜耦合的光就很难进入光纤,所以导致探测器接收光功率比较低。理论讨论了影响外差探测效率的主要因素。外差效率随着空间准直角失配和平行偏移量的增加会持续降低,当空间准直角到达52.3mrad时,外差效率下降到0.2。本振光功率对外差效率影响也很大,对于温度300K,负载电阻为50?的PIN硅光电二极管,其理论计算最佳本振光功率为0.5mW,对于内阻1M?,负载电阻1M?的光导探测器,在恒压偏置时其理论计算最佳本振光功率在2.3mW附近,恒流偏置时其理论计算最佳本振光功率在2.8mW附近。初步建立2μm全光纤激光外差接收机模拟实验系统,获得稳定的2μm半导体激光器100MHz外差中频信号。在最佳本振光功率实验中,获得了本振光功率为0.010mW,0.032mW,0.100mW,0.316mW,0.600mW,1.000mW下的外差中频信号,实验结果的拟合曲线与理论计算结果比较一致。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 课题来源及研究的目的和意义
  • 1.2 激光测风雷达的发展状况
  • 1.2.1 相干探测体制的发展现状
  • 1.2.2 非相干探测体制的发展现状
  • 1.3 InGaAs 半导体激光器
  • 1.4 论文研究内容
  • 第2章 2μm 激光外差探测的理论基础
  • 2.1 相干激光脉冲外差的工作原理
  • 2.1.1 激光外差测量多普勒频移的原理
  • 2.1.2 外差效率定义
  • 2.1.3 空间相位匹配对外差效率的影响
  • 2.1.4 本振光光功率对系统信噪比的影响
  • 2.2 自聚焦透镜工作原理及特点
  • 2.2.1 自聚焦透镜的原理
  • 2.2.2 自聚焦透镜的特点
  • 2.3 本章小结
  • 第3章 最佳本振光功率理论分析与仿真
  • 3.1 光伏型探测器下的最佳本振光功率
  • 3.2 光导型探测器下的最佳本振光功率
  • 3.3 本振光光功率噪声分析
  • 3.4 本章小结
  • 第4章 2μm 半导体激光器输出特性实验
  • 4.1 半导体激光器输出波长测试实验
  • 4.2 测试半导体激光器功率随输出角度特性
  • 4.3 本章小结
  • 第5章 2μm 半导体激光器与单模光纤耦合实验
  • 5.1 ZEMAX 仿真软件进行耦合仿真实验
  • 5.2 半导体激光器与光纤的耦合实验
  • 5.3 本章小结
  • 第6章 2μm 半导体激光外差实验
  • 6.1 全光纤2μm 激光外差实验系统构成
  • 6.2 全光纤实验器件
  • 6.3 实验结果与分析
  • 6.4 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 致谢
  • 相关论文文献

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