VCSEL脉冲式精密驱动电流源制造技术

本发明专利技术公开了一种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组成，ＦＰＧＡ的Ｉ／Ｏ口与第一，二数模转换电路相连，第一数模转换电路与第一电压电流转换电路相连，第二数模转换电路与第二电压电流转换电路相连，第一、第二电压电流转换电路分别与高速模拟开关相连，高速模拟开关与ＦＰＧＡ相连。通过ＦＰＧＡ控制的高速模拟开关在两路精密电流之间切换，输出脉冲精密电流。该脉冲精密电流源同时具备可调谐激光波长、产生高速电流脉冲以及实现扫描激光波长与脉冲时序的精确同步功能。结构简单、体积小、易于调试、能精确量化控制，可应用在基于ＶＣＳＥＬ的小型化脉冲式激光抽运原子频标和小型化Ｒａｍｓｅｙ－ＣＰＴ原子频标，及芯片级原子频标。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及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)。
技术介绍
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!/2态到5P!/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5Sw态到5Pm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，釆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!/2到5P^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 子频标釆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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术釆用的技术措施是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。其中所述的FPGA为Cyclone III系列芯片。所述的两路数模转换电路的芯片为24位数模转换芯片PCM1770。所述的两路电压电流转换电路的芯片为运算放大器芯片AD8039。所述的高速模拟开关的芯片为TS3USB221。FPGA (现场可编程逻辑阵列)与24位数模转换器(PCM1770)之间采用 I"S通讯，通过FPGA的主程序初始化24位数模转换器(PCM1770)，配置其控 制字，得到精密电压。由于激光管(VCSEL)需要电流源驱动，故精密电压需 转换为精密电流才能使用。这是通过V-I转换电路实现的。调节该电路，将电压 转换到合适的电流范围，同时因为该电路的跟随能力，提高了整个系统带负载能 力。最后将两路精密电流送至高速模拟开关，通过FPGA程序产生的开关时序控 制信号控制模拟开关，输出精确控制的脉冲电流。本专利技术的实现具体工作方式为由FPGA控制的24位数模转换器作电压源，通过FPGA的主程序初始化24 位数模转换芯片(PCM1770)，配置其控制字，得到精密电压，从而输出两路可 调的精密电压。再将24位数模转换器的电压输出信号送至两路电压电流转换电路(即V-I 转换电路)，通过两路电压电流转换电路(即V-I转换电路)中运算放大器芯片 AD8039及附加电路，将精密电压转换为精密电流，由于该电路的跟随能力，使 得电路带负载能力较强，从而得到两路精密电流。最后将两路电压电流转换电路(即V-I转换电路)的电流输出连接到高速模 拟开关,得到精密脉冲电流。其中高速模拟开关由芯片TS3USB221实现。通过 程序配置，FPGA的I/O接口产生的开关时序信号连接到高速模拟开关的闭合控 制端，以控制高速模拟开关产生任意时序的脉冲信号。高速模拟开关可以在两路 不同电流间切换，进而实现了在任意两个激光频率(可调谐范围内)之间的高速 切换。这样就实现了同时具备可调谐的激光波长和产生高速脉冲功能的VCSEL 驱动电流源。本专利技术较现有技术具有如下特点和优点-1、 功能新颖独特。可同时实现调谐激光波长、脉冲电流输出功能。2、 电路结构简单，集成度高，可靠性强。本系统几乎全部由集成贴片封装 芯片组成。调谐激光波长、高速开关信号生成、脉冲时序与扫描激光波 长同步信号都是在FPGA中完成。两路精密电流信号的串扰很小。3、 参数控制精确。激光波长可通过FPGA控制模数转换器精密调谐。脉冲 时序和多种波形可通过FPGA编程实现。精确做到脉冲时序与扫描激光 波长同步。4、 改变工作状态方便，只需修改程序即可。电流扫描或固定模式、脉冲或 连续输出模式的都可以同过FPGA中程序控制切换，简单易行。5、 使脉冲式原子频标小型化成为可能。本专利技术具有集成度高、体积小、数 字化程度高、易于调试等特点，可直接应用于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)。附图说明图1 VCS本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＶＣＳＥＬ脉冲式精密驱动电流源，它由数模转换电路（１）、电压电流转换电路（２）、高速模拟开关（３）、ＦＰＧＡ（４）组成，其特征在于：ＦＰＧＡ（４）的Ｉ／Ｏ口与第一，二数模转换电路（１Ａ，１Ｂ）相连，第一数模转换电路（１Ａ）与第一电压电流转换电路（２Ａ）相连，第二数模转换电路（１Ｂ）与第二电压电流转换电路（２Ｂ）相连，第一、第二电流电压电流转换电路（２Ａ、２Ｂ）分别与高速模拟开关（３）相连，高速模拟开关（３）与ＦＰＧＡ（４）相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：云恩学，张奕，郑金州，顾思洪，
申请(专利权)人：中国科学院武汉物理与数学研究所，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]