Konzeption und Implementierung eines FPGA-basierten Temperaturreglers für verstimmbare Diodenlaser

Am Fachgebiet „Architekturen und Systeme“ des Instituts für Mikroelektronische Systeme werden im Rahmen eines Verbundprojektes Algorithmen der digitalen Signalverarbeitung und Plattformen für die Steuerung und Auswertung von physikalischen Experimenten unter Weltraumbedingungen konzipiert und implementiert. Dabei müssen höchste Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Echtzeitfähigkeit der Systeme eingehalten werden. 

Ziel des Verbundprojektes ist der quantenmechanische Test der von Albert Einstein im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie postulierten Universalität des Freien Falls (UFF). Dabei wird das Prinzip der differentiellen Messung der relativen Beschleunigung zweier atomarer Ensembles, so genannter Bose-Einstein-Kondensate (BEC) angewandt. Ein BEC ist ein Aggregatszustand gleicher Teilchen, die sich im gleichen quantenmechanischen Zustand befinden und mit einer einzigen Wellenfunktion beschrieben werden können. Der Aggregatszustand wird jedoch erst im Nanokelvin Bereich erreicht, so dass für die Erzeugung der BECs unter anderem magneto-optische Fallen (MOT) eingesetzt werden. Diese nutzen das Prinzip der Laserkühlung, bei dem das Ensemble aus allen 6 Raumrichtungen mit Lasern bestrahlt wird, deren Frequenz knapp über der Resonanzfrequenz der Atome im Ensemble liegt.

Im Projekt werden Distributed-Feedback- (DFB) sowie External-Cavity-Diode-Laser (ECDL) eingesetzt, bei denen die Laserwellenlänge vom Eingangsstrom und der Dioden-Temperatur abhängig ist. Um eine automatisierte Wellenlängenregelung mithilfe des Diodenstroms zu ermöglichen, muss die Laserdiode auf einer konstanten Temperatur gehalten werden. Dies geschieht mit Peltier-Elementen die zum Teil in der Laserdiode verbaut sind. In einem Experiment kommen dabei unterschiedliche Laserkonfigurationen zum Einsatz. Dies sind Varianten ohne (Master Oscillator) als auch mit integrierten Verstärker (Master Oscillator Power Amplifier), die alle mit demselben Temperaturregler auf einer konstanten Temperatur gehalten werden sollen.

Daher soll ein FPGA-basierten Temperaturcontroller für Laserdioden konzeptioniert werden. Dabei soll auf eine für diesen Zweck entwickelte Karte im TBUS-Design als Hardwareplattform zurückgegriffen werden. Der Temperaturcontroller soll die Temperatur mithilfe von NTCs bestimmen und über angeschlossene Peltier-Elemente auf einen Sollwert halten können. Insbesondere starke positive Temperaturabweichungen müssen unterdrückt werden, da diese die Lebensdauer der Laserdioden beinträchtigen.  Der Controller soll über das TBUS-Protokoll ansteuerbar sein. Über den BUS sollen Regelparameter und Messwerte les- und änderbar sein. Weiterhin soll in einem externen NI LabView Programm ein Autotuning des Temperaturreglers implementiert werden, so dass dieser automatisch auf unterschiedliche Laserkonfigurationen angepasst wird.