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1 引言 頻率控制和定時(shí)器件是電子系統的核心部件，起著(zhù)使分布式網(wǎng)絡(luò )同步的重要作用，它的穩定性和精度對于通信、導航、監視，以及軍事中的電子戰、導彈導引和敵我識別具有重要的影響�；谠酉喔刹季臃@(Coherent PopulationTrapping，CPT)原理和MEMS技術(shù)集成工藝，實(shí)現低功耗、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(dòng)力的便攜式無(wú)線(xiàn)通信裝置及導航定位系統等領(lǐng)域。介紹垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical CavitvSurface-Emitting Laser，VCSEL)的控制系統設計與測試的特性，垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL與傳統的邊發(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(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、光計算等方面具有廣闊的應用前景。 2 VCSEL控制系統組成和工作原理 VCSEL激光器工作在能夠調制銣原子的D1共振波長(cháng)單頻率狀態(tài)。相關(guān)的躍遷波長(cháng)(在真空中)銣原子是795．0 nm。D1躍遷的波長(cháng)通常是首選的，因為對應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℃的范圍內變化，那么VCSEL的波長(cháng)必須精確到±0．3nm(假設通常VCSEL的調節系數是O．06 nm／℃)。圖1為原子鐘控制系統組成結構。 2．1 恒定電路驅動(dòng) 由于半導體激光器屬非線(xiàn)性器件，理想情況下流過(guò)激光器的電流與加在器件兩端電壓成指數關(guān)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(如激光波長(cháng)、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間內基本成線(xiàn)性關(guān)系，因而在實(shí)際測試中，通常采用電流源的驅動(dòng)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動(dòng)方式，研究并設計制作了恒流式驅動(dòng)器。該驅動(dòng)電路主要包括ACC恒流控制電路，可調偏置電路，激光二極管限幅電路，推挽OCL 功放驅動(dòng)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恒流控制驅動(dòng)電路是通過(guò)將電阻R兩端的電壓作為反饋輸入，其實(shí)質(zhì)是將LD的驅動(dòng)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)入到反相求和運算放大器的負相輸入端，并與設定值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 溫度的變化經(jīng)溫度傳感器轉變?yōu)殡娦盘�，然后將其與預先給定溫度進(jìn)行比較，偏差信號經(jīng)P-I控制調節電路處理后驅動(dòng)制冷器工作，使溫度穩定在設定溫度附近。溫度控制系統電路設計框圖如圖3所示。 溫度傳感器選為熱敏電阻，用來(lái)檢測LD的溫度，靈敏度高，使用前應先對其進(jìn)行標定。溫度調節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、結構簡(jiǎn)單易控制。工作時(shí)，一端制冷，另一端制熱，所以可通過(guò)改變電流方向變換制冷面、制熱面。 3 VCSEL激光器系統分析及結論 對整體激光器系統在常溫25％測試了電流穩定度(如圖4所示)及激光光譜(如圖5所示)。 從以上測量曲線(xiàn)可得出，LD驅動(dòng)電源電壓的紋波峰峰值為14 mV，經(jīng)計算可得電流穩定度為0．05 mA。 垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)的最大驅動(dòng)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(zhù)，導致輸出光功率隨溫度的升高而降低。 4 結束語(yǔ) 本文對VCSEL激光器控制系統組成、工作模式及測試結果進(jìn)行了詳細的測試分析，并且從理論和實(shí)際測試兩個(gè)方面驗證了該系統設計方案的可行性、可靠性和實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，對CPT原子鐘VCSEL光源應用具有參考和使用價(jià)值。 |
