激光VCSEL控制系統(tǒng)的工作原理、測(cè)試和實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

1、引言

頻率控制和定時(shí)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(duì)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(shí)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(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(dòng)力的便攜式無(wú)線(xiàn)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(jì)與測(cè)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(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(jì)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(zhǎng)單頻率狀態(tài)。相關(guān)的躍遷波長(zhǎng)（在真空中）銣原子是795．0 nm。D1躍遷的波長(zhǎng)通常是首選的，因?yàn)閷?duì)應(yīng)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(nèi)變化，那么VCSEL的波長(zhǎng)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)。

2．1 恒定電路驅(qū)動(dòng)

由于半導(dǎo)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(shù)關(guān)系，所以微小的電壓變化可以導(dǎo)致光功率輸出的極大變化和器件參數(shù)（如激光波長(zhǎng)、閾值電流）的變化，這些變化直接影響器件的測(cè)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(qū)間內(nèi)基本成線(xiàn)性關(guān)系，因而在實(shí)際測(cè)試中，通常采用電流源的驅(qū)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(qū)動(dòng)方式，研究并設(shè)計(jì)制作了恒流式驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)電路主要包括ACC恒流控制電路，可調(diào)偏置電路，激光二極管限幅電路，推挽OCL 功放驅(qū)動(dòng)電路和激光二極管保護(hù)電路5部分，其電路框罔如圖2所示。

ACC恒流控制驅(qū)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(qū)動(dòng)電流反饋至輸入端，反饋信號(hào)再經(jīng)精密放大器放大、跟隨器后，進(jìn)入到反相求和運(yùn)算放大器的負(fù)相輸入端，并與設(shè)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(tǒng)

溫度的變化經(jīng)溫度傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，然后將其與預(yù)先給定溫度進(jìn)行比較，偏差信號(hào)經(jīng)P-I控制調(diào)節(jié)電路處理后驅(qū)動(dòng)制冷器工作，使溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度附近。溫度控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

溫度傳感器選為熱敏電阻，用來(lái)檢測(cè)LD的溫度，靈敏度高，使用前應(yīng)先對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定。溫度調(diào)節(jié)器件選用熱電制冷器，它是利用帕爾帖效應(yīng)的半導(dǎo)體制冷器件，體積小、結(jié)構(gòu)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(tǒng)分析及結(jié)論

對(duì)整體激光器系統(tǒng)在常溫25％測(cè)試了電流穩(wěn)定度（如圖4所示）及激光光譜（如圖5所示）。

從以上測(cè)量曲線(xiàn)可得出，LD驅(qū)動(dòng)電源電壓的紋波峰峰值為14 mV，經(jīng)計(jì)算可得電流穩(wěn)定度為0．05 mA。

垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的最大驅(qū)動(dòng)電流一般可達(dá)閾值電流的5倍，有較寬的測(cè)試范圍，所以對(duì)研制的VC-SEL做了溫度特性的測(cè)試，結(jié)果如圖6所示。電流越大，半導(dǎo)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(duì)最大輸出功率的影響比對(duì)閾值電流的影響更顯著，導(dǎo)致輸出光功率隨溫度的升高而降低。

4、 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)VCSEL激光器控制系統(tǒng)組成、工作模式及測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)試分析，并且從理論和實(shí)際測(cè)試兩個(gè)方面驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性、可靠性和實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)CPT原子鐘VCSEL光源應(yīng)用具有參考和使用價(jià)值。

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