1 引言
頻率控制和定時(shí)器件是電子系統(tǒng)的核心部件,，起著使分布式網(wǎng)絡(luò)同步的重要作用，它的穩(wěn)定性和精度對于通信,、導(dǎo)航,、監(jiān)視，以及軍事中的電子戰(zhàn),、導(dǎo)彈導(dǎo)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(shù)集成工藝,，實(shí)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(dǎo)航定位系統(tǒng)等領(lǐng)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(shè)計(jì)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(dǎo)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(diǎn),，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(jì)算等方面具有廣闊的應(yīng)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(guān)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?yàn)閷?yīng)的共振因子要高一點(diǎn)。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(shè)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(dǎo)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(guān)系，所以微小的電壓變化可以導(dǎo)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(guān)系,，因而在實(shí)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(shè)計(jì)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(hù)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(shí)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(jìn)入到反相求和運(yùn)算放大器的負(fù)相輸入端,，并與設(shè)定值VM進(jìn)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?，然后將其與預(yù)先給定溫度進(jìn)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(shè)定溫度附近,。溫度控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)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(yīng)先對其進(jìn)行標(biāo)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(yīng)的半導(dǎo)體制冷器件,，體積小、結(jié)構(gòu)簡單易控制,。工作時(shí),，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(jì)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(dá)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(dǎo)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(dǎo)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(jìn)行了詳細(xì)的測試分析,，并且從理論和實(shí)際測試兩個(gè)方面驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性,、可靠性和實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，對CPT原子鐘VCSEL光源應(yīng)用具有參考和使用價(jià)值,。