面向调频连续波光源的单边带调制器的设计.pdfVIP

摘要

在激光技术研究的不断推进下，激光雷达的相关产品因为本身优越的性能，

逐渐替代其他产品。其中激光雷达测距系统早已成为了在军工，飞机，卫星，自

动驾驶等领域的重要产品。调频连续波激光测距雷达是一种基于相干探测的激光

测距技术。线性频率调制技术使得雷达在工作的过程中会不容易受到干扰；激光

技术具有定向性高，光强稳定的优势，能够探测更远的距离；使用相干探测方式

相比直接探测具有更强的探测能力，更高的稳定性，且不需要合作目标，直接探

测绝对距离。FMCW激光测距雷达因为结构简单，集成度高，测距分辨率高等

优点，逐渐引起研究人员的重视。而产生线性调频的方法一直是FMCW激光雷

达研究的一大方向。

本文针对调频连续波激光光源进行研究，进行了内调制、外调制等方法的对

比，选择使用外调制法进行实验，并介绍了基于电光效应的铌酸锂晶体工作原理

及优势。最终选择对1550nm的激光采用载波抑制单边带方法进行调制。首先对

FMCW激光测距原理进行公式推导，介绍了基于外调制产生调频光的原理，设

计了以铌酸锂单边带调制器为核心的调频连续波光源的系统。选取了DFB激光

器作为输入，波长为1550nm，DFB激光源的频率噪声相对较小，可以有效降低

线性调频光的非线性度。载波抑制单边带调制器是双平行MZI调制器结构，与

MZI调制器相比，需要更复杂的电压输入。其工作模块包括三路偏压控制器、射

频90°移相电桥和射频扫频源。设计了相应的测试接收系统，由APD雪崩光电

二极管、跨阻放大器、二级放大滤波器和电压模块组成。通过分束合束器，搭建

全光纤测试环境测量其拍频结果，对结果进行分析并提出改进措施，实验分别对

在50m，100m，150m等长度光程差的拍频结果进行测试，得到的拍频频谱明显

观察到在0.5MHz、1MHz、1.5MHz有明显的线性的频谱搬移。通过对拍频结果

的时域波形和频谱图的分析，提出了杂散信号和噪声的成因和处理措施。

针对上述拍频结果提出基于载流子色散效应的硅基光波导载边抑制单边带

调制器芯片的设计，提出了一种三端口硅基MZI调制器结构，MZI结构由两路

硅基PN结相位调制器组合而成，相比常规MZI结构，本设计留出额外的端口作

为监视器，可用于硅基脊型波导有限折射率的虚部实部变化定量研究。随后对载

流子调制硅基脊型波导的公式进行推导，并对其进行了测量，给出与理论推导符

合的拟合结果和与理论值很符合的多项式拟合方程。为硅基载边抑制单边带调制

器提供一种可行的测试方案。随后设计了单片带芯片的结构，并以实现单边带调

制为目的，对单边带调制器施加的偏置电压进行求解来。通过数值有哪些信誉好的足球投注网站方法，得

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到了符合要求的解，将其回带入方程，绝大部分误差在10量级，与目标函数很

好的符合，这个结果为未来的单边带调制实验提供了理论支持。

关键词：调频连续波；载流子色散；单边带调制；高速硅基光电调制器；硅基

光波导

Abstract

Withthecontinuousadvancementofthestudyoflasertechnology,therelated

productsoflaserradargraduallyreplaceotherproductsbecauseoftheirsuperior

performance.Amongthem,thelidarrangingsystemhasalreadybecomeanimportant

productinthefieldsofmilitaryindustry,aircraft,satellite,automaticpilotandsoon.

Frequencymodulatedcontinuouswavelaserrangingradarisalaserrangingtechnology

basedoncoherentdetection.Usinglinearfrequen