作者：趙軍;秦麗;閆樹斌;任小紅

1 引言

頻率控制和定時器件是電子系統的核心部件，起著使分布式網絡同步的重要作用，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技術集成工藝，實現低功耗、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力的便攜式無線通信裝置及導航定位系統等領域。介紹垂直腔面發射激光器（Vertical CavitvSurface-Emitting Laser，VCSEL）的控制系統設計與測試的特性，垂直腔面發射激光器VCSEL與傳統的邊發射半導體激光器相比，具有發散角小、單縱模工作、非常低的閾值電流等優點，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共振波長單頻率狀態。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

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（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。垂直腔面發射激光器的光功率與電流在正常工作區間內基本成線性關系，因而在實際測試中，通常采用電流源的驅動方式。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動方式，研究并設計制作了恒流式驅動器。該驅動電路主要包括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恒流控制驅動電路是通過將電阻R兩端的電壓作為反饋輸入，其實質是將LD的驅動電流反饋至輸入端，反饋信號再經精密放大器放大、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

溫度的變化經溫度傳感器轉變為電信號，然后將其與預先給定溫度進行比較，偏差信號經P-I控制調節電路處理后驅動制冷器工作，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，用來檢測LD的溫度，靈敏度高，使用前應先對其進行標定。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）。

從以上測量曲線可得出，LD驅動電源電壓的紋波峰峰值為14 mV，經計算可得電流穩定度為0．05 mA。

垂直腔面發射激光器（VCSEL）的最大驅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 結束語

本文對VCSEL激光器控制系統組成、工作模式及測試結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設計方案的可行性、可靠性和實時性等優點，對CPT原子鐘VCSEL光源應用具有參考和使用價值。責任編輯：gt