专利名称：Vcsel脉冲式精密驱动电流源的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及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以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^态到5P^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"Rb的5S!/2态到5P^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(微婢用来调制激光，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5Sw到5P!/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。发明内容本实用新型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，本实用新型采用的技术措施是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1/0 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。
本实用新型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。
5本实用新型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。本发明具有集成度高、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)。
图1为一种VCSEL脉冲式精密驱动电流源电路方框图 图2为一种主程序模块流程图
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施作进一步说明
由图1可知，FPGA (可编程逻辑阵列)4的I/O 口与第二数模转换电路1B 相连，其中1A、 1B数模转换电路通过一块24位数模转换芯片(PCM1770)实 现；通过FPGA (现场可编程门阵列)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。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，其中第一、第二电压电流转换电路2A、 2B由一块运算放大器芯片AD8039 及附加电路组成。通过这一步得到两路精密电流，由于该电路的跟随能力，使得 电路带负载能力较强；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 (现场可编程门阵列)4相连，其中高 速模拟开关由芯片TS3USB221实现。通过程序配置，FPGA (现场可编程门阵 列)4的I/O接口产生的开关时序信号连接到高速模拟开关3的闭合控制端，以 控制高速模拟开关3产生任意时序的脉冲信号。高速模拟开关3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。
本实用新型的核心部分FPGA控制24位数模转换器、高速模拟开关的开关 时序信号、以及两者间的同步。下面通过一个例子来说明。
现要产生一个脉冲时序为lms(0mA，指电流幅度，后同)、lms(1.2-1.5mA)、 2ms (OmA)、 3ms (1.2-1.5mA)的组成的周期(7ms)方波，每2个周期增加一 次电流步进，步进为36nA，扫描范围从1.2-1.5mA ，要做到它们之间的同步。
首先通过FPGA (现场可编程门阵列)4主程序，初始化24位数模转换器 PCM1770，使24位数模转换器PCM1770 (现场可编程门阵列)4产生固定步进 (300， 16进制)的扫描，扫描范围从0-7FFFFF,对应电流范围L2-1.6mA。同时 FPGA子程序产生同步的开关时序信号lms(OV，指电压幅度，后同)、lms(3V)、 2ms (OV)、 3ms GV)，将开关时序信号送到高速模拟开关3的闭合控制端，就 得到需要的脉冲电流信号。
FPGA是重要部件。本发明采用ALTERA公司的Cyclone III系列芯片，它 具有功能强大、开发周期短等优点。
本实用新型中，通过选择高分辨率的24位数模转换器PCM1770 1，可保证 激光波长的精密调节能力。如某VCSEL输出波长为795士3nm，其电流调节灵敏 度为0.60nmAnA，而本电流源调节精度为0.8mA/2^-48pA,对应激光频率变化为 14Hz。实际上，若采用的电流步进为300 (16进制)，则对应电流约为768X 48=36nA，对应激光频率为10.8kHz。用这样的电流步进驱动VCSEL并扫描， 激光与铷87原子样品泡作用后，能够扫描出铷87原子Dl线的两个超精细能级 的共振吸收峰。这说明该电流源分辨能力是足够的。
高速模拟开关采用TI公司的双刀双掷开关TS3USB221，它既可以实现高速 开关，又可以避免两路精密电流间的相互串扰。它的开关响应时间为上升沿时间〈30ns,下降沿时间〈2ns。本发明实测输出电流脉冲上升沿时间〈2.5us,下降 沿时间〈us。开关响应时间有所增加，这主要是由于FPGA产生的开关信号上升 沿(下降沿)较长所致。要进一步减小上升沿(下降沿)时间，FPGA应采用更 高频率的晶振。
为配合硬件电路实现电流高速切换的过程， 一种实现VCSEL脉冲式精密驱 动电流源的软件主程序过程如下
A开始通过上电或按键对FPGA复位。
B初始化复位后初始化左路电压控制字(dc—word—1)为200010 h (h表 示16进制，下同)，右路电压控制字(dc—word_r)为66bb06h，模拟开关控制端 (ctrl—sig)置低电平，并将计数器(cnt)清零。
C主程序扫描接收12.5M的时钟信号，当PCM1770初始化完毕后，在 时钟上升沿计数器触发，并加l。在每个时钟上升沿检査计数器的值，当计数器 值为87500时，计数器自动清零，并将PCM1770的左路控制字加300h，右路控 制字不变。每个时钟上升沿检査左路电压控制字的值，如果左路电压控制字的值 大于7fl)000h，就将左路电压控制字的值置为初始值200010h。
D开关时序信号生成每当计数器值变化时，检查计数器的值，当计数器 值为64时，将模拟开关的控制端置高电平；当计数器值为12564时，将模拟开 关的控制端置低电平；当计数器值为2506，时，将模拟开关的控制端置高电平； 当计数器值为50064时，将模拟开关的控制端置低电平。
E结束
通过本发明的脉冲式精密电流源，驱动VCSEL，实现了对激光波长的精密 调谐、脉冲激光输出功能,并实现了激光波长扫描和脉冲时序的精确同步。
由于VCSEL是静电敏感器件，且供电电流不能超过2mA(视具体型号不一)， 所以在用本发明方案的电流源给VCSEL供电时需要遵循以下步骤
1、 保证整个电路良好的接地，操作时两手皆需戴上静电护腕，确定经 过调试的本电流源输出范围在0到2mA之间。
2、 首先断开本电流源的供电电源，尤其是将电流输出端短地一下，以 消除静电。
3、 连接VCSEL，再打开本电流源的供电电源。闭合FPGA复位开关，程序自动运行。
4、 如果需要修改程序或重新下载其它程序，可以直接操作。
5、 在关机时，先关闭本电流源的供电电源，再取下VCSEL，短地，收 藏妥当。
权利要求1、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。
2、 根据权利要求1所述的一种VCSEL脉冲式精密驱动电流源，其特征在 于所述的FPGA (4)的I/0接口产生的开关时序信号连接到高速模拟开关(3) 的闭合控制端，以控制高速模拟开关(4)产生任意时序的脉冲信号。
专利摘要本实用新型公开了一种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、第二电流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、精确量化控制，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原子频标，及芯片级原子频标。
文档编号H03L7/26GK201345643SQ200820230158
公开日2009年11月11日 申请日期2008年12月12日 优先权日2008年12月12日
发明者云恩学, 奕 张, 郑金州, 顾思洪 申请人:中国科学院武汉物理与数学研究所