Implementierung und Evaluierung eines FPGA-basierten System on a programmable Chip zur Frequenzregelung eines Distributed-Feedback-Laser

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 in den MOTs Distributed-Feedback-Laser eingesetzt, bei denen die Laserfrequenz vom Eingangsstrom und der Dioden-Temperatur abhängig ist. Daher ist es notwendig, eine automatische Regelung und Einstellung der Laserfrequenz bereitzustellen, bei der die Laserfrequenz über den Strom geregelt wird. Die Frequenz kann dabei zum Beispiel mithilfe der Rubidium-Spektroskopie bestimmt werden. Dabei scannt der Laser Initial über sein gesamtes Spektrum, wobei das Referenzspektrum erstellt wird. Später scannt der Laser wiederholt über ein spektrales Fenster um die eingestellte Frequenz, um so die Position im Referenzspektrum wiederzufinden. Anschließend wird der Eingangsstrom der Laserdiode angepasst um die Wunschfrequenz zu erreichen. Die gesamte Regelschleife soll eine Ausführungszeit von 150μs nicht überschreiten.

Mithilfe einer ADC/DAC Erweiterungskarte soll basierend auf einem Altera Evaluationsboard ein System-on-a-programmable-Chip aufgebaut werden, dass die Bestimmung und Regelung der Laserfrequenz ermöglicht. Für nicht zeitkritische Teile soll ein Softcore-Prozessor eingesetzt werden, zeitkritische Elemente sollten durch dedizierte Hardwaremodule realisiert werden. Dabei kann auf bestehende Module für die Frequenzbestimmung zurückgegriffen werden, die gegebenenfalls angepasst werden müssen. Weiterhin soll eine bitgenaue Fixpunkt-Analyse bestehender Module sowie weiterer Systemkomponenten durchgeführt werden.