[发明专利]VCSEL脉冲式精密驱动电流源

说明书

技术领域

本发明涉及VCSEL的驱动电流源，具体地说是用于脉冲式原子频标的可精确调谐激光波长并同时可脉冲输出的激光管驱动电流源。本电流源可应用于基于VCSEL的小型化脉冲式激光抽运(POP)原子频标和小型化Ramsey-CPT原子频标，以及芯片级原子频标(CSAC)。

背景技术

POP原子频标是提供高稳定度的时间频率信号设备。它具有低光频移、高稳定度指标的特点，是目前被看好和深入研究的原子频标之一。它的原理如下：以样品原子⁸⁷Rb为例，激光抽运铷频标用连续激光作⁸⁷Rb的5S_1/2态到5P_1/2态的光抽运实现基态两个超精细能级间的布居数翻转，再通过微波激发基态能级间跃迁获得钟跃迁谱线，其微分曲线作为纠正本振频率偏差信号，从而实现激光抽运铷原子频标。POP原子频标以脉冲光作抽运实现粒子数翻转，之后在下一激光脉冲到来之前，再通过两个频率满足激发基态能级间跃迁的微波脉冲与微波腔中的原子样品泡作用来制备和探测原子相干态，得到Ramsey干涉条纹。脉冲激光的优点是：(1)在激光脉冲间隔期间实现Ramsey干涉，干涉现象不会被激光“洗掉”；(2)用作鉴频的基态能级跃迁发生在无激光期间，消除了对钟频率质量有重要影响的光频移效应。采用这种方法得到的Ramsey干涉谱线比传统连续激光抽运频标获得的谱线窄，因此所实现的原子频标频率稳定度更高。

对于Ramsey-CPT原子频标，在非脉冲式CPT原子频标的基础上，利用激光脉冲与原子样品相互作用，来制备和探测Ramsey干涉的CPT态，获得用于纠正本振频率偏差的鉴频信号。非脉冲式CPT原子频标中，首先通过扫描激光频率，得到⁸⁷Rb的5S_1/2态到5P_1/2态跃迁的多普勒展宽原子共振吸收峰，将激光频率锁定在共振吸收峰中心；接着扫描耦合在VCSEL上的微波(微波用来调制激光，产生CPT态需要的双色激光)频率，得到与CPT相对应的电磁感应透明(EIT)谱线，其微分曲线可以作为纠正本振频率偏差的鉴频信号。Ramsey-CPT原子频标是在非脉冲式CPT原子频标的基础上，采用激光脉冲来制备和探测Ramsey干涉的CPT态。具体来说，通过第一个激光脉冲来制备CPT态，第二个脉冲产生Ramsey干涉的CPT态，并探测其透射光强信号，扫描耦合在VCSEL上的微波频率，这样在通常的EIT谱线大包络下，会得到更窄的Ramsey干涉条纹。将其微分曲线作为纠正本振频率偏差的鉴频信号，就实现了Ramsey-CPT原子频标。干涉条纹的中心峰的半高峰宽度主要由激光制备和探测脉冲的时间间隔来决定，因而调节激光脉冲间隔，可获得比非脉冲式CPT原子频标窄得多的条纹。这也是Ramsey-CPT原子频标可得到较高的频率稳定度的主要原因。

因此同时具备调谐激光波长(用于激发5S_1/2到5P_1/2的跃迁)和脉冲输出(实现时间分离的Ramsey干涉)功能的激光驱动电流源是小型化脉冲式原子频标研究的关键技术之一，也是提高芯片级原子频标(CSAC)稳定度指标的核心技术之一。

现有脉冲式原子频标所用的脉冲激光，一般是通过声光调制器(AOM)调制激光器输出激光的幅度得到脉冲激光，但因为声光调制器的体积较大以及控制电路的相对复杂性，限制了脉冲式频标的小型化和实用性，这也限制了芯片级原子频标采用脉冲式抽运方式以获得高稳定度指标。因此，如何得到同时具备调谐激光波长和脉冲输出功能的电流源来驱动VCSEL，是脉冲式原子频标小型化的瓶颈。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种VCSEL脉冲式精密驱动电流源，结构简单，使用方便，具有精确调谐激光波长、脉冲激光输出、精确做到脉冲时序与扫描激光波长同步的特点，可应用于基于VCSEL的小型化脉冲式激光抽运(POP)频标和小型化Ramsey-CPT原子频标，以及芯片级原子频标(CSAC)。

为了实现上述目的，本发明采用的技术措施是：

VCSEL脉冲式精密驱动电流源，它由数模转换电路、电压电流转换电路、高速模拟开关、FPGA(现场可编程逻辑阵列)组成。FPGA(现场可编程门阵列)的I/O口与两路数模转换电路连接，FPGA(现场可编程门阵列)与高速模拟开关连接，两路数模转换电路分别与两路电压电流转换电路连接，两路电压电流转换电路都与高速模拟开关连接。