基于CPT原子钟的VCSEL激光器控制系统设计

设计基于原子相干布居俘获原理（CPT）的原子钟系统中垂直腔面发射激光器（VCSEL）控制器,其包括20mA量程、低噪声、精密直流稳流电源、介绍VCSEL控制系统组成和工作原理,并对VCSEL激光器系统进行了测试分析。结果表明,该控制系统可以实现单模态、窄线宽及低功耗稳定光源,对CPT原子钟VCSEL光源应用具有参考和使用价值。     

两种激光器主从锁频产生lin⊥lin准双色光

<正>交线偏振(lin⊥lin)相干双色光作为光源可以用于实现性能较好的相干布居囚禁(CPT)原子钟。研究了用外腔式激光器(ECDL)出射光对受到微波调制的纵腔面发射激光器(VCSEL)产生的多色激光+1级边带注入锁频,用主从锁频激光系统实现lin⊥lin准双色光束方案,进而研究了所获光束的特性以及与原子作用实现CPT共振的效果,获得一些有意义的结果。研究结果对于CPT原子钟研究有参考价值。     

激光光谱研究垂直腔面发射激光器的特性

设计并实现了一种通过原子对激光的吸收光谱研究被动型相干布居囚禁(CPT)原子钟所使用的垂直腔面发射激光器(VCSEL)特性的实验方法。通过切换输入VCSEL的微波功率,实验记录原子对单色和调频多色激光的吸收谱,借助光谱分析研究了VCSEL激光管自身温度变化速度、微波功率变化造成VCSEL的温度变化及VCSEL输出波长随温度的变化等特性,以及通过所实现的光谱直接测量所用VCSEL制备CPT态的效率。该方法为CPT原子钟所用的VCSEL提供了一个有用的测试、研究平台,对于原子钟的研制和VCSEL研究具有实际价值。     

增厚DBR型894nm窄线宽VCSEL

垂直腔面发射激光器(VCSEL)是芯片级原子钟(CSAC)的主流光源,其光束质量会影响CSAC的各项性能。扩展VCSEL内部有效腔长能够以压缩冷腔线宽的方式压窄器件最终辐射激光的线宽,从而可以减小CSAC短时间内的计时频率噪声。根据所计算的VCSEL表面反射谱,将VCSEL中4层下分布式布拉格反射镜(DBR)的厚度由常规的四分之一波长增加至404 nm,压缩了VCSEL冷腔线宽,并生长了对应的外延结构,制备了通过增厚DBR扩展有效腔长的894 nm窄线宽VCSEL。测试结果表明,研制的VCSEL在90℃下波长为893.1 nm,功率为0.335 mW,线宽约为32 MHz,且具有稳定的偏振特性。     

垂直腔面发射激光器的内调制特性

面向芯片原子钟(Chip Scale Atomic Clock,CSAC)的垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL)通过微波调制产生具有特定光频差的相干激光,与原子作用后的跃迁谱线频率作为参考标准,最终可获取高精度的频率信号。因此,垂直腔面发射激光器在芯片原子钟系统中至关重要。介绍了VCSEL激光器的内调制原理,搭建了其内调制特性实验测试平台,开展了激光器对射频调制响应特性研究,记录了激光器边带信号随着注入电流和射频输出功率的变化情况,并分析了射频调制对激光器边带信号的影响特性以及Bogatov现象引起的边带不对称现象。实验结果显示:当射频信号频率为3.41734 GHz,注入电流为1.2 mA,射频输出功率为3.5 dBm时,可获得优化的高频调制光谱,为芯片原子钟提供优质的光源。     

面发射半导体激光器自混合振动测量实验研究

采用新型垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为激光自混合振动测量系统的激光光源,针对不同驱动信号频率(1 kHz,2 kHz)、驱动信号幅度(880 mV,1.66 v)的振动驱动信号对激光自混合振动测量信号系统进行实验研究,并与通过激光稳态方程所获得的激光自混合振动信号仿真进行了比较分析.结果表明,2 kHz相对1 k...     

芯片原子钟——CPT钟研究进展

介绍了基于激光与原子相干布局囚禁(CPT)理论的芯片原子钟(CSAC)钟.该原子钟代表了小型化原子钟未来发展方向,近年来在设计技术、制造工艺以及物理机制方面都取得了较大进展,并实现了芯片级的CPT钟原理样机.预计,在未来3～5年将会有芯片原子钟产品面世.     

光通信用垂直腔面发射激光器的进展

垂直腔面发射激光器(VCSEL)以其优异的性能有望成为信息时代的新光源.文章介绍了用于光通信的VCSEL的开发现状.     

InGaN多量子阱激光器在SLA RP技术中的应用

简单介绍了快速成型及其光固化(SLA)技术,分析了SLA中各种激光器光源的特点。通过对量子阱原理的介绍,重点讨论了InGaN基多量子阱激光器及其作为SLA的激光器光源的优点。最后对InGaN基多量子阱激光器的发展应用进行了展望。     

垂直腔表面发射激光器的研究

垂直腔表面发射激光器(VCSEL)是一种应用于光纤通信系统的低成本、高性能的特定波长光源,它具有测试简单、易耦舍以及易形成阵列等独特优势,已在光并行互连及高密度光存贮等领域得到大规模应用.文章介绍了VCSEL的结构和当前的制造工艺水平,阐述了各波段VCSEL的发展和应用现状,探讨了VCSEL在不同领域中的应用范围并指出了VCSEL的发展前景.     

Rb^87微型CPT原子钟信号源的设计

相干布局（CPT）原子钟被广泛的应用于通信、导航、电力以及数据传输等各个领域,对国民经济的发展起着举足轻重的作用,因此微型CPT原子钟的研制有着重大的意义。这里针对目前微型CPT原子钟对微波信号源的要求,采用锁相环倍频技术设计了一种中心频率为3.417340GHz的微波信号源,该信号源可以满足Rb87微型CPT原子钟的研制,这为微型CPT原子钟的实现奠定了坚实的基础。     

894 nm高温工作氧化限制型基横模VCSEL研究

针对芯片原子钟（铯）用激光光源系统对垂直腔面发射激光器（VCSEL）模式及工作温度的需求,研制出可以高温工作的氧化限制型基横模 894.6 nm VCSEL。通过缩小VCSEL氧化孔直径至3 μm,限制VCSEL高阶横模激射,保证器件基横模低阈值电流工作。通过常温下腔模与材料增益失谐12 nm 的结构设计,使器件能够在50~65 ℃ 高温时,激射波长对准原子能级且工作模式稳定。实验所制备的VCSEL在工作温度为55 ℃、注入电流1.8 mA 时,激射波长达到 894.6 nm,边模抑制比（SMSR）大于35 dB,基横模功率为0.75 mW,具有11.4°的远场发射角。当温度为65 ℃时,器件SMSR大于25 dB,基横模功率大于0.1 mW。该高温基横模工作的VCSEL在芯片原子钟中具有重要的应用前景。     

星载MEMS原子钟稳频系统的优化及实验研究

简要介绍CPT原子钟工作原理,讨论原子频标的两个重要指标：短期稳定性和频率漂移。对CPT原子钟的锁频伺服控制电路进行系统分析和优化设计,并通过饱和吸收稳频实验验证所设计伺服控制电路的稳频性能．100s的频率稳定度达到1．6×10^-12,有望进一步提高频率稳定性。     

基于85Rb的微型化CPT原子钟的设计和实现

介绍基于85Rb原子相干布居囚禁(CPT)现象的微型原子钟的设计与实现,系统以MSP430单片机作为主控芯片,实现电流源、TCXO和射频等功能模块,并与CPT原子钟物理部分实现联调与整机封装,实现了高稳定度、低功耗的小型CPT原子钟。整机体积只有31 cm3,功耗为660 mW,测得10 MHz输出信号稳定度约为2×10-10 s-1,4×10-11/1 000 s。系统采用全宽调制在85Rb的D1线实现CPT原子钟方案,可提升CPT共振谱线对比度,提高原子钟稳定度。     

CPT铷原子钟锁相环频率合成器设计和分析

基于CPT(相干布局囚禁)87铷原子钟设计出输出频率为3417 MHz的锁相环频率合成器,通过ADIsimPLL仿真出最佳环路带宽,环路滤波器参数以及相位噪声等,并通过STM32对锁相环芯片进行控制。对频率合成器进行了测试,电路尺寸为40 mm×40 mm,输出信号功率范围为-4 dBm^+5 dBm可调,输出信号噪声满足要求-88.65 dBc/Hz@1 kHz,-92.31 dBc/Hz@10 kHz,-104.63 dBc/Hz@100 kHz,杂散和谐波得到抑制,设计的频率合成器能很好的应用于原子钟的射频信号源。     

GPS驯服CPT原子钟方法研究

本文针对全球定位系统（GPS,Global Position System）接收机输出秒脉冲（1PPS,1 Pulse Per Second）信号的特点,以及相干布居囚禁（CPT,Coherent Population Trapping）原子钟输出频率信号的特性,设计并实现了GPS驯服CPT原子钟方案.我们建立了适合抑制1PPS信号抖动的卡尔曼滤波模型,通过理论推导和计算获得了相应噪声参数,并采用卡尔曼滤波器与平均滤波器相结合,对CPT原子钟输出频率实施滤波处理,并用GPS接收机输出的1PPS信号实施频率校准,所实现GPS驯服的CPT原子钟输出频率的中短期频率误差降低半个量级,天频率稳定度提高一个量级.     

CPT原子钟垂直腔面发射激光器驱动电路设计

设计了一种输出电流范围在0~2 mA,用于驱动垂直腔面发射激光器(VCSEL)的恒流源电路。电路设计采用负反馈原理,可输出一个稳定的电压,该电压经过电压电流转化为恒定电流。为使输出电流更加稳定,在电路中加入现场可编程门阵列(FPGA)芯片EP4CE10F17C8组成控制电路。芯片通过采集负反馈的输出与预定值比较,得到误差量反馈到负反馈模块,调整负反馈电路的输入电压,从而使电路输出实现长期稳定。最后对电路输出性能进行测试,测试结果表明电流的纹波系数为0.01,电流稳定度为±0.02 mA。在驱动电流为1.2 mA、激光器工作温度为60℃时,用波长计测试激光器输出波长为795 nm,同时测得的吸收谱线也表明激光器输出波长在795 nm附近。因此,该恒流源电路可用于驱动VCSEL输出稳定波长。