激光垂直腔面发射激光器控制系统的工作原理、测试及实现

1.介绍

频率控制和定时装置是电子系统的核心部件，在分布式网络同步中起着重要作用。其稳定性和准确性对通信、导航、监视以及军事电子战、导弹制导和敌我识别都有重要影响。基于相干布居俘获(CPT)原理和微机电系统技术集成工艺，实现了一种低功耗、高精度的微型原子钟，其精度将比目前最好的应时振荡器高1000倍，可用于便携式无线通信设备和纽扣电池供电的导航定位系统领域。介绍了垂直腔面发射激光器控制系统的设计和测试特点。与传统的边缘发射半导体激光器相比，垂直腔面发射激光器具有发散角小、单纵模工作、极低阈值电流等优点。特别适用于二维阵列集成和与其他光电器件的集成。它在光信息处理、光互连、光计算等方面有着广阔的应用前景。

2.垂直腔面发射激光器控制系统的组成和工作原理

VCSEL激光器工作在单频状态，D1共振波长能够调制铷原子。铷原子的相关跃迁波长(在真空中)为795.0纳米。D1跃迁的波长通常是优选的，因为相应的共振因子更高。如果有效的垂直腔面发射激光器不能被冷却，垂直腔面发射激光器的工作温度必须高于原子钟的最高工作温度。例如，如果原子钟的工作温度为0~70，VCSEL的工作温度可以选择在85。如果垂直腔面发射激光器的温度只能在-5范围内变化，那么垂直腔面发射激光器的波长必须精确到-0.3纳米(假设垂直腔面发射激光器的调节系数通常为0.06纳米/)。图1示出了原子钟控制系统的结构。

2.1恒定电路驱动

由于半导体激光器是一种非线性器件，流经激光器的电流理想地与施加到器件两端的电压成指数关系，因此小的电压变化会导致光功率输出的巨大变化和器件参数(例如激光波长和阈值电流)的变化，这直接影响器件的测试和安全使用。在正常工作范围内，垂直腔面发射激光器的光功率与电流成线性关系，因此在实际测试中通常使用电流源。VCSEL器件是直流器件，但为了保证激光器的安全运行，本文研究并设计了恒流驱动器。驱动电路主要包括ACC恒流控制电路、可调偏置电路、激光二极管限幅电路、推挽式OCL功率放大器驱动电路和激光二极管保护电路。其电路框架如图2所示。

ACC恒流控制驱动电路使用电阻R两端的电压作为反馈输入。其实质是将半导体激光器的驱动电流反馈到输入端。反馈信号经精密放大器放大后，通过反相和运算放大器的负相输入端，与设定值VM进行比较。两者之差经限幅电路和积分电路后输出并送至推挽功率放大电路的输入端。

2.2温度控制系统

温度传感器将温度变化转换成电信号，然后将电信号与预设温度进行比较，偏差信号经P-I控制调节电路处理，驱动冰箱工作，使温度稳定在设定温度附近。温度控制系统的电路设计框图如图3所示。

选择温度传感器作为热敏电阻来检测半导体激光器的温度。它具有高灵敏度，使用前应进行校准。温度调节装置选用热电制冷器。它是一种利用珀耳帖效应的半导体制冷装置，体积小，结构简单，易于控制。工作时，一端冷却，另一端加热，因此可以通过改变电流方向来改变冷却表面和加热表面。

3.垂直腔面发射激光器系统分析与总结

整个激光系统的电流稳定性(如图4所示)和激光光谱(如图5所示)

从以上测量曲线可以看出，LD驱动电源电压的峰值为14 mV，计算的电流稳定性为0.05 mA。

垂直腔面发射激光器的最大驱动电流可达阈值电流的5倍，测试范围宽。因此，对所开发的可变电容自发光二极管的温度特性进行了测试，结果如图6所示。电流越大，随着温度升高，半导体激光器的功率下降越明显。激光器的最大输出功率随着温度的升高而降低。温度对最大输出功率的影响比对阈值电流的影响更大，导致输出光功率随着温度的升高而降低。

4.结束语

本文对VCSEL激光控制系统的组成、工作模式和测试结果进行了详细的测试和分析，并从理论和实际测试两个方面验证了系统设计方案的可行性、可靠性和实时性，对CPT原子钟VCSEL光源的应用具有参考和应用价值。