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。