基于CPT原子钟的VCSEL激光器控制系统设计

1 引言
频率控制和定时器件是电子系统的核心部件，起着使分布式网络同步的重要作用，它的稳定性和精度对于通信、导航、监视，以及军事中的电子战、导弹导引和敌我识别具有重要的影响。基于原子相干布居俘获(Coherent PopulationTrapping，CPT)原理和MEMS技术集成工艺，实现低功耗、高精度微型原子钟，其精度将比目前最好的石英振子高1 000倍，可用于以纽扣电池为动力的便携式无线通信装置及导航定位系统等领域。介绍垂直腔面发射激光器(Vertical CavitvSurface-Emitting Laser，VCSEL)的控制系统设计与测试的特性，垂直腔面发射激光器VCSEL与传统的边发射半导体激光器相比，具有发散角小、单纵模工作、非常低的阈值电流等优点，尤其适用于二维面阵集成和与其他光电子器件集成。在光信息处理、光互连、光计算等方面具有广阔的应用前景。

2 VCSEL控制系统组成和工作原理
VCSEL激光器工作在能够调制铷原子的D1共振波长单频率状态。相关的跃迁波长(在真空中)铷原子是795．0 nm。D1跃迁的波长通常是首选的，因为对应的共振因子要高一点。如果有效的VCSEL不可能冷却，那么VCSEL激光器的工作温度必须选择在原子钟工作的最大温度以上环境。例如，如果原子钟的工作温度是0℃~70℃，那么VCSEL的工作温度可能要选择在85℃。如果VCSEL的温度只能够在±5℃的范围内变化，那么VCSEL的波长必须精确到±0．3nm(假设通常VCSEL的调节系数是O．06 nm／℃)。图1为原子钟控制系统组成结构。