可調諧半導體激光器的精密控制系統設計

曹延昌，熊繼軍，侯慶志

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051)

引 言

半導體激光器作為一種可調諧單色光源，具有體積小、效率高、成本低、易調諧等優點，已經成為很多科研領域中不可缺少的部分［1］。包括原子陀螺儀、原子磁強計［2-3］等在內的高精密測量領域，需要利用激光對原子進行冷卻、俘獲和操控，對激光器的功率穩定性、線寬、頻率穩定性都要求很高，在不加反饋控制的情況下，要求其頻率抖動和漂移應在兆赫茲以內［4-5］。半導體激光器的輸出波長和功率主要由激光二極管的PN結注入電流和結溫度決定，注入電流的變化會影響增益介質中載流子濃度、禁帶寬度，而溫度變化對諧振腔的腔長、介質折射率有直接影響，從而導致激光輸出功率、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動和穩定的溫度控制系統。對于典型的砷化鎵鋁(GaAlAs)半導體激光器，注入電流對激光頻率的影響約為3MHz/μA，經過外部光柵反饋選模后電流對頻率的影響可以降到0.3MHz/μA左右。因此，對于具有外部光柵的外腔激光器，要得到100kHz的激光線寬，交流噪聲有效值應該小于300nA［1］。溫度對半導體激光器的頻率影響系數約為30GHz/℃，為了達到兆赫茲量級的線寬和頻率穩定度，溫度長期穩定度應優于2m℃。

1 系統設計

1．1 電流控制系統設計

整個電流控制系統主要由濾波穩壓電路、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，結構框圖如圖1所示。系統采用±10V電壓供電，+10V電壓經過三端穩壓芯片LM317后輸出+5V電壓經過π型濾波器后為激光二極管供電。在此處，LM317不僅是作為電壓調整芯片，同時構成了一個慢啟動電路，從而避免啟動時瞬時電流過大而損壞激光管。

Fig.1 Current control system

在電流驅動系統中，電流的穩定度與參考電壓的穩定度直接相關，高穩定度、低漂移量是對參考電壓的基本要求。為了得到10-9量級的激光頻率穩定度，電流穩定度應該在1μA內。考慮到電流穩定度要達到微安級，選用ADR4525作為參考電壓產生芯片，得到+2.5V穩定參考電壓。ADR4525具有最大值僅為2×106/℃的極低溫度系數，在實驗室條件下，電壓漂移量小于10μV，滿足電流控制系統對參考電壓穩定度的要求。

電流調節部分是電流控制系統的核心組成部分，包括采樣電路、誤差放大電路和PI控制器電路，如圖2所示。電流調節部分采用典型的恒流源［6］設計方式。測量采樣電阻Rs兩端的壓降，與參考電壓進行比較，誤差信號經過誤差放大器放大后，通過PI控制器調節場效應管IRF7210的柵級電壓，改變場效應管的導通電阻值，從而改變流經采樣電阻Rs的電流，當Rs兩端壓降與參考電壓Vset相等時，系統達到穩定。經過分析，電路中的主要噪聲來源是采樣電阻和場效應管等效電阻的熱噪聲，而采樣電阻的阻值不穩定將直接導致流經激光二極管的電流不穩定。為了降低電路中的噪聲，采用1/2W、溫漂系數為5×106℃的精密采樣電阻，采用具有極低導通電阻和柵極電流的場效應管IRF7210。整個電路中采用具有極低噪聲特性的運放OPA227，在0.1kHz～10kHz帶寬內電壓噪聲功率譜密度為3nV/，運放均采用±10V電源供電，并在靠近運放處加0.1μF去耦陶瓷電容。

Fig.2 Current regulating circuit

1．2 溫控系統設計

為了設計結構簡單、控溫精度高的溫度控制系統。采用AD公司的熱電制冷微控制芯片MAX1978，作為控溫系統的主芯片。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，將控制環路和功率場效應晶體管(field effect transistor，FET)管集成到同一芯片上，盡可能減少外部配置電路，整個溫控系統更加小型化。MAX1978采用了獨特的紋波消除方法，降低了電路噪聲。同時，也對內部金屬-氧化層半導體場效晶體管(metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)的開關速度進行了優化，降低了噪聲和電磁干擾(electromagnetic interference，EMI)，提高了工作效率。溫控系統采用+5V的單電源供電，能夠為TEC提供雙極性的±3A輸出電流，能夠實現溫度的無“死區”控制，避免在低電流工作時的非線性問題。MAX1978內部集成了一個超低漂移的斬波型運算放大器和一個積分放大器，通過外部配置元件可以構成比例-積分或者比例-積分-微分(proportion-integrationdifferentiation，PID)控制器，能夠維持最優1m℃的溫度穩定性。溫控系統原理圖如圖3所示。圖中PWM(pulse width modulator)為脈寬調制器。

Fig.3 Function of temperature control system

溫控系統的控溫精度和溫度漂移量與系統的參考電壓穩定性直接相關。MAX1978內部集成了+1.5V的高穩定性參考電壓源Vref，能夠為系統提供溫度設定所需的穩定參考電壓。系統采用負溫度系數(negative temperature coefficient，NTC)熱敏電阻作為溫度測量元件，為了消除參考電壓隨溫度漂移對控溫精度的影響，溫度設定時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，降低了系統噪聲、提高了溫度控制精度。溫度設定電路如圖4所示。

通過調節電位器Radj兩端的電壓值，設定不同的溫度值。熱敏電阻Rth兩端電壓VRth與溫度變化的關系約為10mV/℃，因此要達到2m℃的溫度穩定度，熱敏電阻兩端電壓波動應小于20μV。

Fig.4 Function of temperature setting

在整個溫控系統中，PID外部補償網絡是TEC控溫最關鍵的部分。它直接影響溫控系統的響應速度和控制精度，為了更好地解決調節速度和調節溫度的矛盾，對PID參量進行了不斷地優化。PID調節器的方程如下式所示:

式中，e(t)，u(t)分別為PID調節器的輸入輸出值;t是時間;Kp，Ki和Kd分別為比例、積分、微分增益系數，在取不同的增益系數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節都是只在出現了偏差時才進行調節，而微分控制器則是針對誤差信號的變化速率進行調節的。通常，實現微分作用并非直接對誤差信號進行微分操作，這樣會引入很大的沖擊，引起振蕩，通常使用誤差信號的速率傳感器來避免對信號的直接微分［7］。在本溫控系統中，綜合考慮響應速度和穩定性要求，只采用P環節和I環節組成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 實驗測試

2．1 電流測試

設定激光器電流為100mA，用六位半數字萬用表測試采樣電阻Rs兩端電壓波動和交流噪聲有效值。采樣時間間隔為5min，連續測量5h，Rs兩端電流穩定度如圖6所示。

Fig.6 Current stability

測試結果表明，在連續5h內，電流波動小于1μA，滿足控制精度達到1μA的要求。將采樣間隔設置為2s，帶寬 1Hz～ 250Hz，對 Rs兩端交流(alternating-current，AC)噪聲有效值連續測量1h，測試結果如圖7所示。

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

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

Fig.8 Power spectral density of noise

2．2 溫度穩定性

溫控系統采用熱敏電阻作為溫度傳感器，當溫度變化時熱敏電阻阻值發生變化，宏觀表現為熱敏電阻兩端電壓發生變化。通過測量熱敏電阻兩端電壓的穩定性，即可測得溫控系統的溫度穩定性。外界環境溫度為25℃時，設置溫控系統溫度為22℃，用六位半數字萬用表測量熱敏電阻兩端電壓穩定性，轉換為溫度穩定性后，結果如圖9所示。測試結果表明，溫控系統的長期溫度漂移量在2m℃以內，標準差在小于0.2m℃。因此，溫度變化對激光器頻率穩定性和線寬的影響均在105Hz量級。

Fig.9 Temperature stability

3 小結

介紹了一種半導體激光器的控制系統，分別對電流驅動和溫控系統電路進行了描述和分析，并通過實驗測試驗證了電流驅動和溫控系統的良好性能。在無外界干擾時，該系統能夠保證激光器的輸出線寬和頻率穩定度在105Hz量級，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對高穩定度激光的要求。

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