Konzeptionierung, Implementierung und Evaluierung eines FPGA basierten Frequenzlock für einen 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. Für diese Operation, die im Betrieb nicht länger als 100
μs benötigen darf, soll ein geeigneter Pattern-Matching Algorithmus genutzt werden.
Herr Wang erhält deshalb die Aufgabe, sich zunächst über verschiedene Möglichkeiten des
Pattern Matchings zu informieren und geeignete Algorithmen für eine Implementierung auf
FPGAs auszuwählen. Exemplarisch hierfür sind die Algorithmen „Kreuzkorrelation“, „Summe
Absoluter Differenzen“ oder „Summe Quadratischer Differenzen“. Bei der Auswahl soll vor
allem die Ausführungszeit, sowie die Möglichkeit der Parallelisierung des Algorithmus betrachtet
werden. Anschließend sollen bis zu drei Algorithmen in VHDL Implementiert und
mit Referenzdaten aus im Labor durchgeführten Laser-Scans verifiziert werden. Abschließend
werden die Implementierungen im Hinblick auf die Einhaltung des Echtzeitkriteriums,
sowie den Ressourcenverbrauch auf einem Altera FPGA evaluiert und gegenübergestellt.