基于CPT原子鐘的VCSEL激光器控制系統(tǒng)設(shè)計

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(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，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(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，因為對應(yīng)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(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)。