应用于光纤传感的可调谐光源的研究

论文摘要

激光器是光纤传感技术中使用的主要光源，而半导体激光器具有体积小（厘米数量级）、重量轻（克数量级）、可靠性高、结构简单和寿命长等优点，并且能够适应振动、温度、湿度等环境变化，因而在光纤传感技术中得到更广泛的应用。目前，光纤传感器系统向着波分复用和光纤传感网的方向发展，这个发展趋势产生了使用可调谐激光光源的需求。其中宽带光源与可调谐滤波器的组合是实现可调谐光源的一种方法，这项研究可以为光纤传感网的应用提供实用技术。 本文首先研究了半导体激光器的等效电路模型，分别建立了Fabry-Perot（FP）半导体激光器及垂直腔表面发射半导体激光器（VCSEL）的等效电路模型。模型以半导体激光器的速率方程为基础，将速率方程表征为由线性电路元件组成的等效电路模型，这种方法不需要编制复杂的数值求解程序，从模型的电路模拟结果就可以很方便地得到LD的调制响应。并结合自己实验室所使用的电源驱动，对模型进行了仿真，验证了模型的准确性及可靠性。 接着研制了压电陶瓷致动器（PZT）的驱动电源。可调谐滤波器的工作原理是通过PZT的微位移改变滤波器的腔长，从而实现滤波，完成所需功能。研究了PZT驱动电源的电路原理，完成了设计和制作。实验结果表明该电源具有电路简单，线形度好，纹波小，带负载能力强，频响高等一系列特点。 本文重点研究了可调谐光源的设计与制作，主要是完成可调谐滤波器控制器的设计，该设计主要还建立在PZT驱动电源基础之上，同时考虑了一些闭环控制。根据理论上对该控制器的设计，结合具体的应用制作了可调谐光源，并对该光源进行了输出光谱测试。通过实验验证，该光源响应速度快，在部分场合已完全能替代可调谐激光器。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 引言
• §1.2 光纤传感用光发射机
• 1.2.1 半导体激光器
• 1.2.2 可调谐激光器
• §1.3 半导体激光器等效电路模型的必要性及现状
• §1.4 可调谐光源制作的必要性
• §1.5 课题来源及本文主要研究内容
• 第二章 半导体激光器的等效电路模型
• §2.1 Fabry-Perot半导体激光器的PSPICE宏模型
• 2.1.1 模型的建立
• 2.1.2 PSPICE模拟分析
• §2.2 垂直腔表面发射半导体激光器的等效电路模型
• 2.2.1 模型的建立
• 2.2.2 PSPICE模拟分析
• §2.3 本章小节
• 第三章 压电陶瓷（PZT）驱动电源
• §3.1 压电陶瓷特性
• §3.2 PZT驱动电源
• §3.3 电路调试
• §3.4 本章小结
• 第四章 可调谐光源的设计与研究
• §4.1 宽光源ASE
• 4.1.1 ASE工作原理
• 4.1.2 ASE特点
• 4.1.3 ASE电源制作
• §4.2 可调谐滤波器
• 4.2.1 法布里—珀罗（Fabry—Perot）干涉仪的原理
• 4.2.2 可调谐滤波器控制器的设计与制作
• 4.2.2.1 信号发生
• 4.2.2.2 驱动电路（功率放大电路）
• 4.2.2.3 光信号接收并放大
• 4.2.2.4 低通滤波
• 4.2.2.5 增益可调放大（AGC）
• 4.2.2.6 相位检测（锁相放大）
• 4.2.2.7 闭环工作电路
• §4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 附录
• 读研期间的科研成果
• 致谢