高精度半导体激光器.doc

高精度半导体数字温度控制系统Fabrizio Barone, Enrico Calloni,Aniello Grado, Rosario De Rosa, Luciano Di Fiore, LeopoldMilano, and Guido RussoINFN-Sezione di Napoli and Departimento di Scienze Fisiche dell Universit degli stud di Napoli“ Federico II, “ Pad. 20 Mostra d oltremare, 80125 Nap014 Italy（1994年 12月19日收到，同意出版在1995年3月26日）数字伺服回路用于半导体激光器温度的控制。通过使用一个有附加条件的稳定回路，获得了一个稳定的温度，一段时间后内这个温度稳定在20K。第一章 介绍目前有几种频率可调的半导体激光器，其频率调谐范围较宽，波长范围从红外线到可视光范围区间，这是一种最基础的激光器。例如，这类激光器应用于原子和分子光谱学1,2，或者作为高功率固体激光器的泵浦源3,4。由于频率对电流和温度的敏感性，导致频率波动。这些激光器能被应用的基础是参数平稳5，同时好的指导对驱动电流和合适的温度循环控制的发展有益，这样使频率控制在一个可以接受的水平；典型的频率变化率是3040GHz/K。对温度控制来说，模拟伺服回路通常用比例-微分-积分（PID）网络作为感应滤波器；已经有报告指出一段时间内温度在1mK范围内变化的情况3。在这篇文章中，我们描述了一种半导体激光器高精度数字温度控制系统的伺服回路。该数字系统的使用大大简化了感应滤波器的装置，同时使得其网络的实现比普通的PID网络更加复杂。当在一个附加平稳循环的条件下，我们获得了一个在6250S（1h44min）之内，温度稳定在20K的结果，这个结果很容易被改进提高。第二章 实验装置被一个安装有玻尔贴冷凝器的铜盘上插入半导体激光器（Sharp LD24MD），在另一个相同的铜盘上安装一个微型的副温度系数热敏电阻（NTC）。电子控制电路可以分为两个部分：一个典型的简单的模拟应用部分5和一个实现循环滤波的数字部分。NTC插入一个惠斯通电桥臂；参考电压（7V），由一个高稳定的发射器（LM399）提供。给定一个满足系统工作的温度使该电桥平衡；该温度可由嵌入另一个电桥臂的电位计实现调节。图2.1展示了装置的电子设计图。电桥信号通过一个INA101布朗放大器放大。电桥、发射器和放大器都装在一个与半导体激光器靠近的屏蔽盒子里。输出信号（温度控制的误差信号）被送到数字系统中并修正。基于VME总线的数字信号处理器有一个16位的模/数转换器、一个68030的CPU和一个16位的数/模转换器组成；数字滤波器是用一个双线性传递算法执行6。校正的信号应用于一个补足的双线性推免式电流驱动器来驱动PT。电桥输出电压用来衡量NTC的温度偏差，这个偏差是相对于激光器的工作温度而言的。除了NTC外，还使用了另外两个温度传感器（美国模拟器件公司AD590JK）。第一个装在相同的铜盘上用于测量半导体激光器的工作温度和系统校正；另外一个则是测量室内温度。图2.1 温度控制电子设计第三章 数字伺服回路 为了稳定半导体激光器的温度，需要设计一个适当的反馈系统。由于需要平稳的温度和良好的自动控制，回路滤波器的选择尤为重要7。通常在模拟系统中选用PID滤波。玻尔贴片冷却器和装配铜盘的主要作用是在温度漂移大、系统热惯性导致相位补偿延时的情况下能获得大的增益。这同时允许一个宽的纠正带宽。对于补偿系统来说，开路循环系统传递函数（OL），即为，由循环滤波器和系统的传递函数产生，频率在单位增益之下，接近于一个简单的积分环节以极低的截止频率和高的直流增益。原则上来说，更复杂的循环滤波器都有几个极点和零点能被用来获得大的增益和速度，但是这些需要复杂的电路装备8。此外，因为这样一个系统只能有条件的稳定，在系统中极端精准的滤波器参数、指数误差、零点和极点的截止频率的设置是非常重要的。正由于这些原因，为复杂的模拟滤波器的实现提出了许多问题，且难以克服。图3.1 测量系统传递函数；（a）增益，（b）相位模拟滤波器的问题可以用数字滤波器来解决。在这种情况下，这是可能实现许多的极点和零点，唯一的限制是对实时系统需要时间来运算，制造滤波，最大的采样频率可能被限制。这对像温度控制方面的低频应用来说是没有什么困难的。实际中的回路滤波器设计是应根据系统的传递函数（TF）而定，系统的传函由温度传感器（V/K）、驱动电流（A/V）、玻尔贴冷却器（K/A）和激光的装配函数而产生。对我们的系统来说，测量传递函数TF在图3.1中展示出来了。在设计伺服回路时，这个TF接近一个七极点的低通滤波器。滤波参数在表3.1中，合成传递函数在图3.2中展示。表3.1 合成温度控制传递函数的参数图3.2 合成的含表3.1中参数的系统传递函数；（a）增益（b）相位对于反馈系统来说，我们选择一个四极点和四零点的循环滤波器，他的测试参数在表3.2中。在图3.3中，我们展示了滤波器的伯德图，与PID滤波相比，他们相位补角相同（45），在图3.4中，我们估计了OL在应用伺服循环时的传递函数，同时又一次与PID的获得相比较。单个增益（0dB）在50mHz情况下，他是由于半导体激光器冷却装置的热惯性所限制。表3.2 数字回路滤波参数图3.3 表3.2（实线）中的回路滤波趋势伯德图，这个图相对于PID滤波（虚线），给出了相同的相位补角（45）；（a）增益（b）相位。两个闭环系统几乎相同且都在10mHz以上，但是在低频时，我们的滤波器给一个高于PID的增益。在1mHZ时增益是87dB，100Hz时为148dB；PID给出的增益分别是57和78dB。这样一个滤波器的正弦曲线变化在1mHz时为1K，他应该被减小到10K。图3.4 计算的伺服循环OL传递函数（实线），与PID传递函数（虚线）；（a）增益（b）相位第四章 结果 我们在系统中应用我们设计的滤波器（采样频率50Hz）来进行半导体激光器的温度控制。测量的传递函数OL在图4.1中展示。测量的值与我们理论估算（图3.4）的值很接近。从图中我们可以推出边缘增益大约是10dB，相位补角为46。当单位增益间隔在17.5mHzf133.7mHz范围内时，伺服循环系统是平稳的。在图4.2中展示了激光器温度的残余波动，这个波动是在电桥传感器输出上测量的，且相比于同时的室内温度，经过的时间为6250s。室温变化为733mK（已恒定比率），当激光器低频漂移少于10K、在80Hz衰减为100dB。大的频率噪声、超出循环带宽（50mK）会增加残余温度波动；这样的噪声可以用增加半导体激光器和玻尔贴冷却器的装配密度来克服，这样可以增加系统的反应速度。温度起伏的范围是20K，符合频率变化为800KHz。图4.1测量的实际伺服循环OL传递函数；（a）增益（b）相位 图4.2 传感器电桥输出上测量的激光器温度的残余波动（闭环循环）；（a）相比于同时的室内温度,（b）在6250s内的情况。第五章 系统校准一个微小的系统校准。校准的获得是改变NTC温度总额，测量相应的IA输出电压。由于开环系统的条件下，屋内热漂移会很快渗透到IA中，所以我们测量闭环系统的值。我们增加了一个交流电压到中；反馈系统的影响是减去零点误差=+；结果是PT改变了半导体激光器的装配温度，这样目的是得到=。相应的绝对温度用镶嵌在相同铜盘上的AD590KJ测量的。校准曲线是图5.1。最适和的数据给的是=31.10.7（V/K）；这相当符合NTC的特点和放大器的增益（A=400）。图5.1 系统校正曲线，激光温度（K）vs闭环输出（V）第六章 讨论我们认识到一个温度控制系统可以减小半导体激光器温度漂移，使其控制在20K；这个值不是最终的限定值，由于反馈系统的性能能被提高，这是基于半导体激光器和玻尔贴冷却器装的更觉紧密而言的。从电桥输出的错误信号的数量是不值得注意的。激光器的温度漂移由期望值而减小了，然而对电桥器件和放大器的温度漂移的考虑是有必要的。温度稳定到T=10K需要电桥输出小于V=T（V/T）/A=31.7/400=0.75V，存在A=400是IA的增益。我们用的电阻器的温度系数是3ppm/K；符合条件的电桥输出为5V/K；IA的低温度系数（22ppm/K）影响很小：误差的主要来源是各种各样的输入电流偏差IB（0.2nA/K）和输入的相反电流Ioff（0.5nA/K）；他们生产一个输入电压漂移为13.5V/K的放大器。全部的输入电压漂移大约为18.5V/K。那么放大器温度变换应该小于40mK。在我们的实验中，室温变化了733mK；我们估计相应的激光温度漂移通过组合漂移减少了180K。我们总结出：我们的系统能减少激光器温度漂移小于20K，由于电桥传感器（当然除了NTC在外）和放大仪器的情况，热稳定度小于40mK，这是非常容易获的商用的温度控制器。通过40GHz/K的典型频率，我们希望符合激光发射频率的热漂移小于800KHz。参考文献1 C.E.Weiman and L.Hollberg,Rev.Sci.Instum.62,1(1991).2 J.C.Compano,Comtemp.Phys.26,433(1991).3 L.R.Marshall,A.Laz.and.O.Aytur,Opt.Lett.18.817(1993).4 A.D.Farinas,E.K.Gustafson,and R.L.Byer.Opt.Lett.19,114(1994).5 C.C.Bradley,J.Chen,andR.G.Hulet.Rev.Sci.Instrum.61,2097(1990).6 A.V.Oppenheimer and R.W.Schafer,Digital Signal Processing (prentice-Hall, Englewood Cliffs,NJ,1975) .7 Refer t