基于微型原子钟实现VCSEL控制系统的设计

作者：赵军;秦丽;闫树斌;任小红

1 引言

频率控制和定时器件是电子系统的核心部件，起着使分布式网络同步的重要作用，它的稳定性和精度对于通信、导航、监视，以及军事中的电子战、导弹导引和敌我识别具有重要的影响。基于原子相干布居俘获（Coherent PopulationTrapping，CPT）原理和MEMS技术集成工艺，实现低功耗、高精度微型原子钟，其精度将比目前最好的石英振子高1 000倍，可用于以纽扣电池为动力的便携式无线通信装置及导航定位系统等领域。介绍垂直腔面发射激光器（Vertical CavitvSurface-Emitting Laser，VCSEL）的控制系统设计与测试的特性，垂直腔面发射激光器VCSEL与传统的边发射半导体激光器相比，具有发散角小、单纵模工作、非常低的阈值电流等优点，尤其适用于二维面阵集成和与其他光电子器件集成。在光信息处理、光互连、光计算等方面具有广阔的应用前景。

2 VCSEL控制系统组成和工作原理

VCSEL激光器工作在能够调制铷原子的D1共振波长单频率状态。相关的跃迁波长（在真空中）铷原子是795．0 nm。D1跃迁的波长通常是首选的，因为对应的共振因子要高一点。如果有效的VCSEL不可能冷却，那么VCSEL激光器的工作温度必须选择在原子钟工作的最大温度以上环境。例如，如果原子钟的工作温度是0℃“70℃，那么VCSEL的工作温度可能要选择在85℃。如果VCSEL的温度只能够在±5℃的范围内变化，那么VCSEL的波长必须精确到±0．3nm（假设通常VCSEL的调节系数是O．06 nm／℃）。图1为原子钟控制系统组成结构。

2．1 恒定电路驱动

由于半导体激光器属非线性器件，理想情况下流过激光器的电流与加在器件两端电压成指数关系，所以微小的电压变化可以导致光功率输出的极大变化和器件参数（如激光波长、阈值电流）的变化，这些变化直接影响器件的测试和安全使用。垂直腔面发射激光器的光功率与电流在正常工作区间内基本成线性关系，因而在实际测试中，通常采用电流源的驱动方式。VCSEL器件是直流器件，但为保证激光器能够安全工作，本文采用恒流式的驱动方式，研究并设计制作了恒流式驱动器。该驱动电路主要包括ACC恒流控制电路，可调偏置电路，激光二极管限幅电路，推挽OCL 功放驱动电路和激光二极管保护电路5部分，其电路框罔如图2所示。

ACC恒流控制驱动电路是通过将电阻R两端的电压作为反馈输入，其实质是将LD的驱动电流反馈至输入端，反馈信号再经精密放大器放大、跟随器后，进入到反相求和运算放大器的负相输入端，并与设定值VM进行比较，输出两者之差，经限幅电路，积分电路后，送入推挽功率放大电路的输入端。

2．2 温度控制系统

温度的变化经温度传感器转变为电信号，然后将其与预先给定温度进行比较，偏差信号经P-I控制调节电路处理后驱动制冷器工作，使温度稳定在设定温度附近。温度控制系统电路设计框图如图3所示。

温度传感器选为热敏电阻，用来检测LD的温度，灵敏度高，使用前应先对其进行标定。温度调节器件选用热电制冷器，它是利用帕尔帖效应的半导体制冷器件，体积小、结构简单易控制。工作时，一端制冷，另一端制热，所以可通过改变电流方向变换制冷面、制热面。

3 VCSEL激光器系统分析及结论

对整体激光器系统在常温25％测试了电流稳定度（如图4所示）及激光光谱（如图5所示）。

从以上测量曲线可得出，LD驱动电源电压的纹波峰峰值为14 mV，经计算可得电流稳定度为0．05 mA。

垂直腔面发射激光器（VCSEL）的最大驱动电流一般可达阈值电流的5倍，有较宽的测试范围，所以对研制的VC-SEL做了温度特性的测试，结果如图6所示。电流越大，半导体激光器随温度升高，功率下降得越明显。激光器的最大输出功率随温度升高而降低，温度对最大输出功率的影响比对阈值电流的影响更显著，导致输出光功率随温度的升高而降低。

4 结束语

本文对VCSEL激光器控制系统组成、工作模式及测试结果进行了详细的测试分析，并且从理论和实际测试两个方面验证了该系统设计方案的可行性、可靠性和实时性等优点，对CPT原子钟VCSEL光源应用具有参考和使用价值。