可调谐半导体激光器的精密控制系统设计

曹延昌，熊继军，侯庆志

(中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051)

引 言

半导体激光器作为一种可调谐单色光源，具有体积小、效率高、成本低、易调谐等优点，已经成为很多科研领域中不可缺少的部分［1］。包括原子陀螺仪、原子磁强计［2-3］等在内的高精密测量领域，需要利用激光对原子进行冷却、俘获和操控，对激光器的功率稳定性、线宽、频率稳定性都要求很高，在不加反馈控制的情况下，要求其频率抖动和漂移应在兆赫兹以内［4-5］。半导体激光器的输出波长和功率主要由激光二极管的PN结注入电流和结温度决定，注入电流的变化会影响增益介质中载流子浓度、禁带宽度，而温度变化对谐振腔的腔长、介质折射率有直接影响，从而导致激光输出功率、中心频率的变化。因此，高精度的激光，需要低噪声低漂移的电流驱动和稳定的温度控制系统。对于典型的砷化镓铝(GaAlAs)半导体激光器，注入电流对激光频率的影响约为3MHz/μA，经过外部光栅反馈选模后电流对频率的影响可以降到0.3MHz/μA左右。因此，对于具有外部光栅的外腔激光器，要得到100kHz的激光线宽，交流噪声有效值应该小于300nA［1］。温度对半导体激光器的频率影响系数约为30GHz/℃，为了达到兆赫兹量级的线宽和频率稳定度，温度长期稳定度应优于2m℃。

1 系统设计

1．1 电流控制系统设计

整个电流控制系统主要由滤波稳压电路、参考电压电路、采样电路、比例-积分(proportion-integration，PI)控制电路几部分组成，结构框图如图1所示。系统采用±10V电压供电，+10V电压经过三端稳压芯片LM317后输出+5V电压经过π型滤波器后为激光二极管供电。在此处，LM317不仅是作为电压调整芯片，同时构成了一个慢启动电路，从而避免启动时瞬时电流过大而损坏激光管。

Fig.1 Current control system

在电流驱动系统中，电流的稳定度与参考电压的稳定度直接相关，高稳定度、低漂移量是对参考电压的基本要求。为了得到10-9量级的激光频率稳定度，电流稳定度应该在1μA内。考虑到电流稳定度要达到微安级，选用ADR4525作为参考电压产生芯片，得到+2.5V稳定参考电压。ADR4525具有最大值仅为2×106/℃的极低温度系数，在实验室条件下，电压漂移量小于10μV，满足电流控制系统对参考电压稳定度的要求。

电流调节部分是电流控制系统的核心组成部分，包括采样电路、误差放大电路和PI控制器电路，如图2所示。电流调节部分采用典型的恒流源［6］设计方式。测量采样电阻Rs两端的压降，与参考电压进行比较，误差信号经过误差放大器放大后，通过PI控制器调节场效应管IRF7210的栅级电压，改变场效应管的导通电阻值，从而改变流经采样电阻Rs的电流，当Rs两端压降与参考电压Vset相等时，系统达到稳定。经过分析，电路中的主要噪声来源是采样电阻和场效应管等效电阻的热噪声，而采样电阻的阻值不稳定将直接导致流经激光二极管的电流不稳定。为了降低电路中的噪声，采用1/2W、温漂系数为5×106℃的精密采样电阻，采用具有极低导通电阻和栅极电流的场效应管IRF7210。整个电路中采用具有极低噪声特性的运放OPA227，在0.1kHz～10kHz带宽内电压噪声功率谱密度为3nV/，运放均采用±10V电源供电，并在靠近运放处加0.1μF去耦陶瓷电容。

Fig.2 Current regulating circuit

1．2 温控系统设计

为了设计结构简单、控温精度高的温度控制系统。采用AD公司的热电制冷微控制芯片MAX1978，作为控温系统的主芯片。MAX1978是用于热电冷却器(thermoelectric cooler，TEC)模块的最小、精度最高、最安全的温度控制微芯片，高度集成化，将控制环路和功率场效应晶体管(field effect transistor，FET)管集成到同一芯片上，尽可能减少外部配置电路，整个温控系统更加小型化。MAX1978采用了独特的纹波消除方法，降低了电路噪声。同时，也对内部金属-氧化层半导体场效晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)的开关速度进行了优化，降低了噪声和电磁干扰(electromagnetic interference，EMI)，提高了工作效率。温控系统采用+5V的单电源供电，能够为TEC提供双极性的±3A输出电流，能够实现温度的无“死区”控制，避免在低电流工作时的非线性问题。MAX1978内部集成了一个超低漂移的斩波型运算放大器和一个积分放大器，通过外部配置元件可以构成比例-积分或者比例-积分-微分(proportion-integrationdifferentiation，PID)控制器，能够维持最优1m℃的温度稳定性。温控系统原理图如图3所示。图中PWM(pulse width modulator)为脉宽调制器。

Fig.3 Function of temperature control system

温控系统的控温精度和温度漂移量与系统的参考电压稳定性直接相关。MAX1978内部集成了+1.5V的高稳定性参考电压源Vref，能够为系统提供温度设定所需的稳定参考电压。系统采用负温度系数(negative temperature coefficient，NTC)热敏电阻作为温度测量元件，为了消除参考电压随温度漂移对控温精度的影响，温度设定时采用平衡电桥的方式，电桥两臂连接到同一参考电压源上，参考电压Vref中的噪声和电压漂移在电桥两臂完全抵消，降低了系统噪声、提高了温度控制精度。温度设定电路如图4所示。

通过调节电位器Radj两端的电压值，设定不同的温度值。热敏电阻Rth两端电压VRth与温度变化的关系约为10mV/℃，因此要达到2m℃的温度稳定度，热敏电阻两端电压波动应小于20μV。

Fig.4 Function of temperature setting

在整个温控系统中，PID外部补偿网络是TEC控温最关键的部分。它直接影响温控系统的响应速度和控制精度，为了更好地解决调节速度和调节温度的矛盾，对PID参量进行了不断地优化。PID调节器的方程如下式所示:

式中，e(t)，u(t)分别为PID调节器的输入输出值;t是时间;Kp，Ki和Kd分别为比例、积分、微分增益系数，在取不同的增益系数的情况下可以得到不同的组合控制器。比例控制和积分控制环节都是只在出现了偏差时才进行调节，而微分控制器则是针对误差信号的变化速率进行调节的。通常，实现微分作用并非直接对误差信号进行微分操作，这样会引入很大的冲击，引起振荡，通常使用误差信号的速率传感器来避免对信号的直接微分［7］。在本温控系统中，综合考虑响应速度和稳定性要求，只采用P环节和I环节组成PI控制器，原理图如图5所示。

Fig.5 PID controller

控制方程如下式所示:

2 实验测试

2．1 电流测试

设定激光器电流为100mA，用六位半数字万用表测试采样电阻Rs两端电压波动和交流噪声有效值。采样时间间隔为5min，连续测量5h，Rs两端电流稳定度如图6所示。

Fig.6 Current stability

测试结果表明，在连续5h内，电流波动小于1μA，满足控制精度达到1μA的要求。将采样间隔设置为2s，带宽 1Hz～ 250Hz，对 Rs两端交流(alternating-current，AC)噪声有效值连续测量1h，测试结果如图7所示。

在1Hz～250Hz带宽内，交流噪声有效值小于20nA，噪声对激光输出频率的影响可以忽略不计。

用频谱分析仪测试采样电阻Rs两端的交流电压噪声功率谱密度［8-9］，测试结果如图8所示。在3kHz～100kHz带宽内交流噪声功率谱密度在10-9量级，计算得到交流噪声有效值小于300nA，由此导致的激光输出线宽展宽在105Hz量级。

Fig.8 Power spectral density of noise

2．2 温度稳定性

温控系统采用热敏电阻作为温度传感器，当温度变化时热敏电阻阻值发生变化，宏观表现为热敏电阻两端电压发生变化。通过测量热敏电阻两端电压的稳定性，即可测得温控系统的温度稳定性。外界环境温度为25℃时，设置温控系统温度为22℃，用六位半数字万用表测量热敏电阻两端电压稳定性，转换为温度稳定性后，结果如图9所示。测试结果表明，温控系统的长期温度漂移量在2m℃以内，标准差在小于0.2m℃。因此，温度变化对激光器频率稳定性和线宽的影响均在105Hz量级。

Fig.9 Temperature stability

3 小结

介绍了一种半导体激光器的控制系统，分别对电流驱动和温控系统电路进行了描述和分析，并通过实验测试验证了电流驱动和温控系统的良好性能。在无外界干扰时，该系统能够保证激光器的输出线宽和频率稳定度在105Hz量级，利用碱金属原子的饱和吸收［10］谱锁频后，能够满足原子分子物理和激光光谱学对高稳定度激光的要求。

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