Láseres de Semiconductores de Alto Brillo como Transmisores para Sistemas Lidar Espaciales

Láseres de semiconductores de alto brillo como transmisores para sistemas Lidar espaciales

Abstracto— Los láseres semiconductores de alto brillo son transmisores potenciales para futuros sistemas lidar espaciales. En el marco del Proyecto Europeo BRITESPACE, proponemos una fuente de láser de semiconductores para un sistema lidar de Absorción Diferencial de Trayectoria Integrada para mediciones promediadas por columnas del CO2 atmosférico en futuras misiones de satélites. La arquitectura completa del sistema debe adaptarse a las propiedades de emisión particulares de estos dispositivos utilizando un enfoque de onda continua aleatoria modulada. Presentamos los resultados experimentales iniciales de los amplificadores de potencia monolíticos InGaAsP / InP Master Oscillator, que proporcionan las longitudes de onda ON y OFF cerca de la línea de absorción seleccionada alrededor de 1572. 

Diseño de sistemas

Lidar de modulación aleatoria de onda continua

Lidar de modulación aleatoria CW (RM-CW) lidar [7] es capaz de obtener información de retrodispersión de rango de alcance obtenida a partir de técnicas pulsadas. En RM-CW lidar, transmite una Secuencia Binaria Pseudoaleatoria (PRBS) (Ver Fig. 1 (a)). La señal recibida correlacionada con el código PRBS original da una respuesta de rango resuelto con un rango no ambiguo determinado por el número de bits PRBS (tasa de repetición) que puede extenderse más que el tiempo de disparo correspondiente al espesor de la atmósfera. La propiedad de autocorrelación del PRBS y el desplazamiento temporal de los códigos se pueden usar para transmitir ambas longitudes de onda simultáneamente, lo que evita el problema de desalineación del haz. La Fig. 1 (b) muestra un ejemplo de la correlación cruzada entre la señal recibida y la PRBS emitida. La relación entre las intensidades de correlación cruzada de la salida de referencia y las señales recibidas proporciona información sobre la profundidad óptica de absorción diferencial y, por lo tanto, sobre la relación de mezcla de aire seco de CO2. Además, debido a la distancia no ambigua extendida, es igual a la longitud total del código PRBS, los retornos se pueden agrupar en diferentes puertas de rango con la resolución de distancia limitada por el tiempo de bit PRBS (tiempo de chip).

Lidar System

El diseño del sistema lidar IPDA completo se muestra en la Fig. 2. Consiste en el transmisor láser, la óptica para transmisión y recepción del haz y la electrónica de control. Específicamente, el haz de salida del transmisor se divide en dos ramas: una

se envía al expansor del haz y luego a la atmósfera y el otro se utiliza como referencia en la comparación con la señal recibida, para el cálculo de la concentración de CO2. La luz reflejada desde el suelo de la Tierra se recoge mediante un telescopio reflector con campo de visión (FOV) que coincide con la divergencia del rayo láser y los problemas de alineación se abordan utilizando una cámara de infrarrojos cortos (SWIR).

Transmisor Láser

Módulo láser

Para cada chip láser, se ha diseñado un submódulo para proporcionar acceso eléctrico, control de temperatura y óptica de formación de haz para cada MOPA cónico. La Fig. 4 (a) muestra el diseño del módulo láser; La Fig. 4 (b) muestra una fotografía de un submódulo real con un MOPA funcional sin la óptica de colimación. La radiación emitida por el amplificador cónico es astigmática, es decir, tiene diferentes fuentes virtuales (y diferentes ángulos de divergencia) para el eje rápido (dirección vertical) y para el eje lento (dirección horizontal). Debido a esta característica, un sistema óptico para la colimación de un amplificador cónico debe consistir en dos lentes.

Unidad de Estabilización de Frecuencia

Con respecto a la estabilidad de la frecuencia y la precisión del conocimiento, la más crítica es la frecuencia en línea, debido a la pendiente en el ala de la línea. Se espera que la precisión de conocimiento del ancho de línea y el ancho de línea sea acrítica para el transmisor BRITESPACE, porque la modulación pseudoaleatoria domina el ancho de línea que, por lo tanto, es bien conocido.
Para lograr estos requisitos de frecuencia, utilizamos dos circuitos de retroalimentación optoeléctricos para la estabilización de los canales de conexión y desconexión acoplados a la salida de un tercer circuito de retroalimentación optoeléctrico para el bloqueo de CO2.

Laser Chip

Se propusieron inicialmente y se fabricaron tres geometrías diferentes para la implementación del chip láser, basadas en i) diseños rectos, ii) inclinados y iii) plegados. las geometrías inclinadas y dobladas se propusieron para minimizar la retroalimentación óptica no deseada de la sección del amplificador al oscilador DFB. De hecho, las MOPA estándar monolíticamente integradas muestran inestabilidades debido a los efectos de la cavidad compuesta que surgen de la reflectividad residual en la faceta de salida del amplificador [13, 14]. Para disminuir las reflexiones en las facetas, un método simple consiste en inclinar el dispositivo con respecto a las facetas. Esta técnica es muy común para SOA. El principal inconveniente es la dificultad para hacer revestimientos altamente reflectantes eficientes en la cara posterior del láser DFB debido a la inclinación.

En este documento, informamos sobre los progresos del Consorcio BRITESPACE para lograr mediciones LIDAR basadas en el espacio de la concentración atmosférica de dióxido de carbono basada en una fuente de láser de semiconductor de 1.57 μm.