基于CPT原子鐘的VCSEL激光器控制系統設計

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。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。