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1 引言 頻率控制和定時器件是電子系統(tǒng)的核心部件，起著使分布式網(wǎng)絡同步的重要作用，它的穩(wěn)定性和精度對于通信、導航、監(jiān)視，以及軍事中的電子戰(zhàn)、導彈導引和敵我識別具有重要的影響。基于原子相干布居俘獲(Coherent PopulationTrapping，CPT)原理和MEMS技術集成工藝，實現(xiàn)低功耗、高精度微型原子鐘，其精度將比目前最好的石英振子高1 000倍，可用于以紐扣電池為動力的便攜式無線通信裝置及導航定位系統(tǒng)等領域。介紹垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical CavitvSurface-Emitting Laser，VCSEL)的控制系統(tǒng)設計與測試的特性，垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL與傳統(tǒng)的邊發(fā)射半導體激光器相比，具有發(fā)散角小、單縱模工作、非常低的閾值電流等優(yōu)點，尤其適用于二維面陣集成和與其他光電子器件集成。在光信息處理、光互連、光計算等方面具有廣闊的應用前景。 2 VCSEL控制系統(tǒng)組成和工作原理 VCSEL激光器工作在能夠調(diào)制銣原子的D1共振波長單頻率狀態(tài)。相關的躍遷波長(在真空中)銣原子是795．0 nm。D1躍遷的波長通常是首選的，因為對應的共振因子要高一點。如果有效的VCSEL不可能冷卻，那么VCSEL激光器的工作溫度必須選擇在原子鐘工作的最大溫度以上環(huán)境。例如，如果原子鐘的工作溫度是0℃"70℃，那么VCSEL的工作溫度可能要選擇在85℃。如果VCSEL的溫度只能夠在±5℃的范圍內(nèi)變化，那么VCSEL的波長必須精確到±0．3nm(假設通常VCSEL的調(diào)節(jié)系數(shù)是O．06 nm／℃)。圖1為原子鐘控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)。 2．1 恒定電路驅(qū)動 由于半導體激光器屬非線性器件，理想情況下流過激光器的電流與加在器件兩端電壓成指數(shù)關系，所以微小的電壓變化可以導致光功率輸出的極大變化和器件參數(shù)(如激光波長、閾值電流)的變化，這些變化直接影響器件的測試和安全使用。垂直腔面發(fā)射激光器的光功率與電流在正常工作區(qū)間內(nèi)基本成線性關系，因而在實際測試中，通常采用電流源的驅(qū)動方式。VCSEL器件是直流器件，但為保證激光器能夠安全工作，本文采用恒流式的驅(qū)動方式，研究并設計制作了恒流式驅(qū)動器。該驅(qū)動電路主要包括ACC恒流控制電路，可調(diào)偏置電路，激光二極管限幅電路，推挽OCL 功放驅(qū)動電路和激光二極管保護電路5部分，其電路框罔如圖2所示。 ACC恒流控制驅(qū)動電路是通過將電阻R兩端的電壓作為反饋輸入，其實質(zhì)是將LD的驅(qū)動電流反饋至輸入端，反饋信號再經(jīng)精密放大器放大、跟隨器后，進入到反相求和運算放大器的負相輸入端，并與設定值VM進行比較，輸出兩者之差，經(jīng)限幅電路，積分電路后，送入推挽功率放大電路的輸入端。 2．2 溫度控制系統(tǒng) 溫度的變化經(jīng)溫度傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺缓髮⑵渑c預先給定溫度進行比較，偏差信號經(jīng)P-I控制調(diào)節(jié)電路處理后驅(qū)動制冷器工作，使溫度穩(wěn)定在設定溫度附近。溫度控制系統(tǒng)電路設計框圖如圖3所示。 溫度傳感器選為熱敏電阻，用來檢測LD的溫度，靈敏度高，使用前應先對其進行標定。溫度調(diào)節(jié)器件選用熱電制冷器，它是利用帕爾帖效應的半導體制冷器件，體積小、結(jié)構(gòu)簡單易控制。工作時，一端制冷，另一端制熱，所以可通過改變電流方向變換制冷面、制熱面。 3 VCSEL激光器系統(tǒng)分析及結(jié)論 對整體激光器系統(tǒng)在常溫25％測試了電流穩(wěn)定度(如圖4所示)及激光光譜(如圖5所示)。 從以上測量曲線可得出，LD驅(qū)動電源電壓的紋波峰峰值為14 mV，經(jīng)計算可得電流穩(wěn)定度為0．05 mA。 垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)的最大驅(qū)動電流一般可達閾值電流的5倍，有較寬的測試范圍，所以對研制的VC-SEL做了溫度特性的測試，結(jié)果如圖6所示。電流越大，半導體激光器隨溫度升高，功率下降得越明顯。激光器的最大輸出功率隨溫度升高而降低，溫度對最大輸出功率的影響比對閾值電流的影響更顯著，導致輸出光功率隨溫度的升高而降低。 4 結(jié)束語 本文對VCSEL激光器控制系統(tǒng)組成、工作模式及測試結(jié)果進行了詳細的測試分析，并且從理論和實際測試兩個方面驗證了該系統(tǒng)設計方案的可行性、可靠性和實時性等優(yōu)點，對CPT原子鐘VCSEL光源應用具有參考和使用價值。 |
