可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的精密控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹延昌，熊繼軍，侯慶志

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

引 言

半導(dǎo)體激光器作為一種可調(diào)諧單色光源，具有體積小、效率高、成本低、易調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為很多科研領(lǐng)域中不可缺少的部分［1］。包括原子陀螺儀、原子磁強(qiáng)計(jì)［2-3］等在內(nèi)的高精密測(cè)量領(lǐng)域，需要利用激光對(duì)原子進(jìn)行冷卻、俘獲和操控，對(duì)激光器的功率穩(wěn)定性、線寬、頻率穩(wěn)定性都要求很高，在不加反饋控制的情況下，要求其頻率抖動(dòng)和漂移應(yīng)在兆赫茲以內(nèi)［4-5］。半導(dǎo)體激光器的輸出波長和功率主要由激光二極管的PN結(jié)注入電流和結(jié)溫度決定，注入電流的變化會(huì)影響增益介質(zhì)中載流子濃度、禁帶寬度，而溫度變化對(duì)諧振腔的腔長、介質(zhì)折射率有直接影響，從而導(dǎo)致激光輸出功率、中心頻率的變化。因此，高精度的激光，需要低噪聲低漂移的電流驅(qū)動(dòng)和穩(wěn)定的溫度控制系統(tǒng)。對(duì)于典型的砷化鎵鋁(GaAlAs)半導(dǎo)體激光器，注入電流對(duì)激光頻率的影響約為3MHz/μA，經(jīng)過外部光柵反饋選模后電流對(duì)頻率的影響可以降到0.3MHz/μA左右。因此，對(duì)于具有外部光柵的外腔激光器，要得到100kHz的激光線寬，交流噪聲有效值應(yīng)該小于300nA［1］。溫度對(duì)半導(dǎo)體激光器的頻率影響系數(shù)約為30GHz/℃，為了達(dá)到兆赫茲量級(jí)的線寬和頻率穩(wěn)定度，溫度長期穩(wěn)定度應(yīng)優(yōu)于2m℃。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．1 電流控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)電流控制系統(tǒng)主要由濾波穩(wěn)壓電路、參考電壓電路、采樣電路、比例-積分(proportion-integration，PI)控制電路幾部分組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用±10V電壓供電，+10V電壓經(jīng)過三端穩(wěn)壓芯片LM317后輸出+5V電壓經(jīng)過π型濾波器后為激光二極管供電。在此處，LM317不僅是作為電壓調(diào)整芯片，同時(shí)構(gòu)成了一個(gè)慢啟動(dòng)電路，從而避免啟動(dòng)時(shí)瞬時(shí)電流過大而損壞激光管。

Fig.1 Current control system

在電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電流的穩(wěn)定度與參考電壓的穩(wěn)定度直接相關(guān)，高穩(wěn)定度、低漂移量是對(duì)參考電壓的基本要求。為了得到10-9量級(jí)的激光頻率穩(wěn)定度，電流穩(wěn)定度應(yīng)該在1μA內(nèi)?？紤]到電流穩(wěn)定度要達(dá)到微安級(jí)，選用ADR4525作為參考電壓產(chǎn)生芯片，得到+2.5V穩(wěn)定參考電壓。ADR4525具有最大值僅為2×106/℃的極低溫度系數(shù)，在實(shí)驗(yàn)室條件下，電壓漂移量小于10μV，滿足電流控制系統(tǒng)對(duì)參考電壓穩(wěn)定度的要求。

電流調(diào)節(jié)部分是電流控制系統(tǒng)的核心組成部分，包括采樣電路、誤差放大電路和PI控制器電路，如圖2所示。電流調(diào)節(jié)部分采用典型的恒流源［6］設(shè)計(jì)方式。測(cè)量采樣電阻Rs兩端的壓降，與參考電壓進(jìn)行比較，誤差信號(hào)經(jīng)過誤差放大器放大后，通過PI控制器調(diào)節(jié)場(chǎng)效應(yīng)管IRF7210的柵級(jí)電壓，改變場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻值，從而改變流經(jīng)采樣電阻Rs的電流，當(dāng)Rs兩端壓降與參考電壓Vset相等時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。經(jīng)過分析，電路中的主要噪聲來源是采樣電阻和場(chǎng)效應(yīng)管等效電阻的熱噪聲，而采樣電阻的阻值不穩(wěn)定將直接導(dǎo)致流經(jīng)激光二極管的電流不穩(wěn)定。為了降低電路中的噪聲，采用1/2W、溫漂系數(shù)為5×106℃的精密采樣電阻，采用具有極低導(dǎo)通電阻和柵極電流的場(chǎng)效應(yīng)管IRF7210。整個(gè)電路中采用具有極低噪聲特性的運(yùn)放OPA227，在0.1kHz～10kHz帶寬內(nèi)電壓噪聲功率譜密度為3nV/，運(yùn)放均采用±10V電源供電，并在靠近運(yùn)放處加0.1μF去耦陶瓷電容。

Fig.2 Current regulating circuit

1．2 溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、控溫精度高的溫度控制系統(tǒng)。采用AD公司的熱電制冷微控制芯片MAX1978，作為控溫系統(tǒng)的主芯片。MAX1978是用于熱電冷卻器(thermoelectric cooler，TEC)模塊的最小、精度最高、最安全的溫度控制微芯片，高度集成化，將控制環(huán)路和功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(field effect transistor，F(xiàn)ET)管集成到同一芯片上，盡可能減少外部配置電路，整個(gè)溫控系統(tǒng)更加小型化。MAX1978采用了獨(dú)特的紋波消除方法，降低了電路噪聲。同時(shí)，也對(duì)內(nèi)部金屬-氧化層半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管(metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)的開關(guān)速度進(jìn)行了優(yōu)化，降低了噪聲和電磁干擾(electromagnetic interference，EMI)，提高了工作效率。溫控系統(tǒng)采用+5V的單電源供電，能夠?yàn)門EC提供雙極性的±3A輸出電流，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的無“死區(qū)”控制，避免在低電流工作時(shí)的非線性問題。MAX1978內(nèi)部集成了一個(gè)超低漂移的斬波型運(yùn)算放大器和一個(gè)積分放大器，通過外部配置元件可以構(gòu)成比例-積分或者比例-積分-微分(proportion-integrationdifferentiation，PID)控制器，能夠維持最優(yōu)1m℃的溫度穩(wěn)定性。溫控系統(tǒng)原理圖如圖3所示。圖中PWM(pulse width modulator)為脈寬調(diào)制器。

Fig.3 Function of temperature control system

溫控系統(tǒng)的控溫精度和溫度漂移量與系統(tǒng)的參考電壓穩(wěn)定性直接相關(guān)。MAX1978內(nèi)部集成了+1.5V的高穩(wěn)定性參考電壓源Vref，能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供溫度設(shè)定所需的穩(wěn)定參考電壓。系統(tǒng)采用負(fù)溫度系數(shù)(negative temperature coefficient，NTC)熱敏電阻作為溫度測(cè)量元件，為了消除參考電壓隨溫度漂移對(duì)控溫精度的影響，溫度設(shè)定時(shí)采用平衡電橋的方式，電橋兩臂連接到同一參考電壓源上，參考電壓Vref中的噪聲和電壓漂移在電橋兩臂完全抵消，降低了系統(tǒng)噪聲、提高了溫度控制精度。溫度設(shè)定電路如圖4所示。

通過調(diào)節(jié)電位器Radj兩端的電壓值，設(shè)定不同的溫度值。熱敏電阻Rth兩端電壓VRth與溫度變化的關(guān)系約為10mV/℃，因此要達(dá)到2m℃的溫度穩(wěn)定度，熱敏電阻兩端電壓波動(dòng)應(yīng)小于20μV。

Fig.4 Function of temperature setting

在整個(gè)溫控系統(tǒng)中，PID外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是TEC控溫最關(guān)鍵的部分。它直接影響溫控系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度，為了更好地解決調(diào)節(jié)速度和調(diào)節(jié)溫度的矛盾，對(duì)PID參量進(jìn)行了不斷地優(yōu)化。PID調(diào)節(jié)器的方程如下式所示:

式中，e(t)，u(t)分別為PID調(diào)節(jié)器的輸入輸出值;t是時(shí)間;Kp，Ki和Kd分別為比例、積分、微分增益系數(shù)，在取不同的增益系數(shù)的情況下可以得到不同的組合控制器。比例控制和積分控制環(huán)節(jié)都是只在出現(xiàn)了偏差時(shí)才進(jìn)行調(diào)節(jié)，而微分控制器則是針對(duì)誤差信號(hào)的變化速率進(jìn)行調(diào)節(jié)的。通常，實(shí)現(xiàn)微分作用并非直接對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行微分操作，這樣會(huì)引入很大的沖擊，引起振蕩，通常使用誤差信號(hào)的速率傳感器來避免對(duì)信號(hào)的直接微分［7］。在本溫控系統(tǒng)中，綜合考慮響應(yīng)速度和穩(wěn)定性要求，只采用P環(huán)節(jié)和I環(huán)節(jié)組成PI控制器，原理圖如圖5所示。

Fig.5 PID controller

控制方程如下式所示:

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2．1 電流測(cè)試

設(shè)定激光器電流為100mA，用六位半數(shù)字萬用表測(cè)試采樣電阻Rs兩端電壓波動(dòng)和交流噪聲有效值。采樣時(shí)間間隔為5min，連續(xù)測(cè)量5h，Rs兩端電流穩(wěn)定度如圖6所示。

Fig.6 Current stability

測(cè)試結(jié)果表明，在連續(xù)5h內(nèi)，電流波動(dòng)小于1μA，滿足控制精度達(dá)到1μA的要求。將采樣間隔設(shè)置為2s，帶寬 1Hz～ 250Hz，對(duì) Rs兩端交流(alternating-current，AC)噪聲有效值連續(xù)測(cè)量1h，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

在1Hz～250Hz帶寬內(nèi)，交流噪聲有效值小于20nA，噪聲對(duì)激光輸出頻率的影響可以忽略不計(jì)。

用頻譜分析儀測(cè)試采樣電阻Rs兩端的交流電壓噪聲功率譜密度［8-9］，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。在3kHz～100kHz帶寬內(nèi)交流噪聲功率譜密度在10-9量級(jí)，計(jì)算得到交流噪聲有效值小于300nA，由此導(dǎo)致的激光輸出線寬展寬在105Hz量級(jí)。

Fig.8 Power spectral density of noise

2．2 溫度穩(wěn)定性

溫控系統(tǒng)采用熱敏電阻作為溫度傳感器，當(dāng)溫度變化時(shí)熱敏電阻阻值發(fā)生變化，宏觀表現(xiàn)為熱敏電阻兩端電壓發(fā)生變化。通過測(cè)量熱敏電阻兩端電壓的穩(wěn)定性，即可測(cè)得溫控系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性。外界環(huán)境溫度為25℃時(shí)，設(shè)置溫控系統(tǒng)溫度為22℃，用六位半數(shù)字萬用表測(cè)量熱敏電阻兩端電壓穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)換為溫度穩(wěn)定性后，結(jié)果如圖9所示。測(cè)試結(jié)果表明，溫控系統(tǒng)的長期溫度漂移量在2m℃以內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)差在小于0.2m℃。因此，溫度變化對(duì)激光器頻率穩(wěn)定性和線寬的影響均在105Hz量級(jí)。

Fig.9 Temperature stability

3 小結(jié)

介紹了一種半導(dǎo)體激光器的控制系統(tǒng)，分別對(duì)電流驅(qū)動(dòng)和溫控系統(tǒng)電路進(jìn)行了描述和分析，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了電流驅(qū)動(dòng)和溫控系統(tǒng)的良好性能。在無外界干擾時(shí)，該系統(tǒng)能夠保證激光器的輸出線寬和頻率穩(wěn)定度在105Hz量級(jí)，利用堿金屬原子的飽和吸收［10］譜鎖頻后，能夠滿足原子分子物理和激光光譜學(xué)對(duì)高穩(wěn)定度激光的要求。

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