[發明專利]VCSEL脈沖式精密驅動電流源

無效

• 申請號: 200810236795.0
• 申請日: 2008-12-12
• 公開（公告）號: CN101436862A
• 公開（公告）日: 2009-05-20
• 發明（設計）人: 云恩學;張奕;鄭金州;顧思洪
• 申請（專利權）人: 中國科學院武漢物理與數學研究所
• 主分類號: H03L7/26
• 分類號: H03L7/26
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所
• 代理人: 王敏鋒

技術領域

本發明涉及VCSEL的驅動電流源，具體地說是用于脈沖式原子頻標的可精確調諧激光波長并同時可脈沖輸出的激光管驅動電流源。本電流源可應用于基于VCSEL的小型化脈沖式激光抽運(POP)原子頻標和小型化Ramsey-CPT原子頻標，以及芯片級原子頻標(CSAC)。

背景技術

POP原子頻標是提供高穩定度的時間頻率信號設備。它具有低光頻移、高穩定度指標的特點，是目前被看好和深入研究的原子頻標之一。它的原理如下：以樣品原子⁸⁷Rb為例，激光抽運銣頻標用連續激光作⁸⁷Rb的5S_1/2態到5P_1/2態的光抽運實現基態兩個超精細能級間的布居數翻轉，再通過微波激發基態能級間躍遷獲得鐘躍遷譜線，其微分曲線作為糾正本振頻率偏差信號，從而實現激光抽運銣原子頻標。POP原子頻標以脈沖光作抽運實現粒子數翻轉，之后在下一激光脈沖到來之前，再通過兩個頻率滿足激發基態能級間躍遷的微波脈沖與微波腔中的原子樣品泡作用來制備和探測原子相干態，得到Ramsey干涉條紋。脈沖激光的優點是：(1)在激光脈沖間隔期間實現Ramsey干涉，干涉現象不會被激光“洗掉”；(2)用作鑒頻的基態能級躍遷發生在無激光期間，消除了對鐘頻率質量有重要影響的光頻移效應。采用這種方法得到的Ramsey干涉譜線比傳統連續激光抽運頻標獲得的譜線窄，因此所實現的原子頻標頻率穩定度更高。

對于Ramsey-CPT原子頻標，在非脈沖式CPT原子頻標的基礎上，利用激光脈沖與原子樣品相互作用，來制備和探測Ramsey干涉的CPT態，獲得用于糾正本振頻率偏差的鑒頻信號。非脈沖式CPT原子頻標中，首先通過掃描激光頻率，得到⁸⁷Rb的5S_1/2態到5P_1/2態躍遷的多普勒展寬原子共振吸收峰，將激光頻率鎖定在共振吸收峰中心；接著掃描耦合在VCSEL上的微波(微波用來調制激光，產生CPT態需要的雙色激光)頻率，得到與CPT相對應的電磁感應透明(EIT)譜線，其微分曲線可以作為糾正本振頻率偏差的鑒頻信號。Ramsey-CPT原子頻標是在非脈沖式CPT原子頻標的基礎上，采用激光脈沖來制備和探測Ramsey干涉的CPT態。具體來說，通過第一個激光脈沖來制備CPT態，第二個脈沖產生Ramsey干涉的CPT態，并探測其透射光強信號，掃描耦合在VCSEL上的微波頻率，這樣在通常的EIT譜線大包絡下，會得到更窄的Ramsey干涉條紋。將其微分曲線作為糾正本振頻率偏差的鑒頻信號，就實現了Ramsey-CPT原子頻標。干涉條紋的中心峰的半高峰寬度主要由激光制備和探測脈沖的時間間隔來決定，因而調節激光脈沖間隔，可獲得比非脈沖式CPT原子頻標窄得多的條紋。這也是Ramsey-CPT原子頻標可得到較高的頻率穩定度的主要原因。

因此同時具備調諧激光波長(用于激發5S_1/2到5P_1/2的躍遷)和脈沖輸出(實現時間分離的Ramsey干涉)功能的激光驅動電流源是小型化脈沖式原子頻標研究的關鍵技術之一，也是提高芯片級原子頻標(CSAC)穩定度指標的核心技術之一。

現有脈沖式原子頻標所用的脈沖激光，一般是通過聲光調制器(AOM)調制激光器輸出激光的幅度得到脈沖激光，但因為聲光調制器的體積較大以及控制電路的相對復雜性，限制了脈沖式頻標的小型化和實用性，這也限制了芯片級原子頻標采用脈沖式抽運方式以獲得高穩定度指標。因此，如何得到同時具備調諧激光波長和脈沖輸出功能的電流源來驅動VCSEL，是脈沖式原子頻標小型化的瓶頸。

發明內容

本發明的目的是在于提供了一種VCSEL脈沖式精密驅動電流源，結構簡單，使用方便，具有精確調諧激光波長、脈沖激光輸出、精確做到脈沖時序與掃描激光波長同步的特點，可應用于基于VCSEL的小型化脈沖式激光抽運(POP)頻標和小型化Ramsey-CPT原子頻標，以及芯片級原子頻標(CSAC)。

為了實現上述目的，本發明采用的技術措施是：

VCSEL脈沖式精密驅動電流源，它由數模轉換電路、電壓電流轉換電路、高速模擬開關、FPGA(現場可編程邏輯陣列)組成。FPGA(現場可編程門陣列)的I/O口與兩路數模轉換電路連接，FPGA(現場可編程門陣列)與高速模擬開關連接，兩路數模轉換電路分別與兩路電壓電流轉換電路連接，兩路電壓電流轉換電路都與高速模擬開關連接。