半导体激光器自动温度控制电路设计

1、【Word版本下载可任意编辑】 半导体激光器自动温度控制电路设计 0 引言 在光纤通信领域，通常使用半导体激光器作为光源，而半导体激光器的发射波长与管芯的温度密切相关，温度升高将导致波长变长（一般为0.1nm），对于一般的单波长光通信系统来说，波长的漂移对系统性能并无太大影响。但对于密集波分复用系统（DWDM），由于通道间的波长间隔已经很小，保持波长的稳定就变得非常重要。例如，工作在C波段的32波系统，通路波长间隔为100GHz（约0.8nm），而工作在C+L波段的160波系统，通路波长间隔为50GHz（约0.4nm）。因此，如果不对激光器管芯的温度加以控制，微小的温度变化将导致整个系统的不可

2、用。另外，半导体激光器是对温度敏感的器件，其阈值电流、输出波长以及输出光功率的稳定性都对温度非常敏感，其工作寿命也与其工作温度密切相关。 实验说明，温度每升高30激光器的寿命会降低一个数量级。对于可靠性要求高的场合，且保证激光器的寿命就需要对管芯温度加以控制，这样在系统中就需要附加一个自动温度控制电路（ATC）来实现对激光器管芯的温度控制。 1.温度控制系统原理 如图1是一个典型的温度控制系统原理框图，传感器将测量到的实际温度值与设定温度值开展比较得出误差信号，误差信号送入控制器并驱动执行器对温度开展调节，由于反应的作用，使得整个系统的温度始终稳定在设定值上。 在光通信系统中，一般有两类光源需

3、要开展温度控制。一类是作为通信光源用的激光器，一类是泵浦激光器，而在这两类光器件中，通常都集成了用于构成温度控制电路的热敏电阻和热电致冷器（TEC: 开展致冷或致热）。 那么，外围电路就需要完成温度检测信号的放大，经过适当的控制器电路后，通过功率放大器去驱动TEC致冷器完成温控过程。因此，温控电路主要的环节有： 温度信号检测放大电路、控制器电路以及功率放大电路等。 2.热模型的建立 一般带致冷激光器的常见构造是首先将激光器、背光管、热敏电阻等组件安装在一个子热沉上，然后再固定到TEC制冷器上，当温控电路正常工作时，位于TEC上的子热沉将恒定在某一设定温度值。当给TEC致冷器通不同极性的电流时能

4、够分别实现致冷或致热，无论处于致冷还是致热状态，温度都不会突变，而是一个缓慢变化的过程。而在一定的电流下，当时间足够长时由于外界的热交换到达了平衡状态，温度将维持在某一个值（即与壳体间的恒定温差T ）。因此可以推测TEC致冷器在传递函数模型上类似于一阶惯性环节为了确定Ktec和Ttec,以某恒定电流作为TEC致冷器输入，并通过热敏电阻检测温度的变化，将采集到的温度与时间的关系通过计算机绘制得到相应的曲线。 以激光器FUJITSU的FLD5F6CXF为例，经过测量Ttec可取6秒，Ktec可取90,即1安培电流能获得的温差约为90。由于TEC致冷器和温度传感器之间存在一定的距离，所以还需考虑这种

5、距离带来的温度延迟时间，被测的FUJITSU激光器的热延迟时间t大约为100毫秒左右，由于延迟的存在，相当于在控制回路中增加了一个延迟环节。 3.温度检测及放大电路 3.1 热敏电阻 为了检测激光器管芯的温度，激光器中通常在TEC致冷器上集成了一个负温度系数的热敏电阻（NTC）来作为温度传感器，其电阻值与温度间的关系为： （其中： 为热敏元件的材料常数；T、T0为开氏温度；RT、R0对应于T、T0下的热敏电阻阻值。）根据器件硬件手册上给出的 常数以及25时热敏电阻的阻值，由式1便可以计算出任意温度下热敏电阻的阻值。热敏电阻的灵敏度比较高，非线性也很严重。但由于激光器温度控制电路终都是稳定在某个

6、温度点上，而在此温度范围内，若定义为热敏电阻的温度系数T,则由式1可得： 由式2可见，T 随温度降低而增大。 当 （T0 =298K即25时）， =3450K时，在激光器一般的工作温度25（298K）下，T = 3.885%。当温度变化T 时，电阻值的变化为： 3.2 直流电桥 为了将温度转换成电信号一般采用直流电桥来实现，其原理图如图2所示： Vb为电桥供电电压，Vout 为电桥的输出，则电桥的输出电压为： 时电桥平衡，电桥输出为零。一般，为了使电桥灵敏度高，常取电桥上的各个电阻值相等，即R1 / R2 = R3 / R4 =1.当R1为热敏电阻时，温度的变化将引起热敏电阻阻值的变化，设为R

7、1,此时电桥将失去平衡。 电桥失衡时的输出电压为（将式3代入式4中）： 由于当 （ T0 = 2 9 8 K即2 5时）， =3450K时，在激光器一般的工作温度25（298K）下，T = 3.885%。则此时电桥的输出为：Vout = 0.0097 -Vb /T. 3.3 仪表放大器 由于电桥输出的信号幅度较小，需要开展放大后再提供应后级使用，仪表放大器具有较高的输入阻抗以及精度，所以常用来对电桥输出电压开展放大，其电路如图3所示。其中取R4=R6,R7=R9,R8=R10,此时增益： 3.4 控制器 为了使系统性能指标满足一定的要求，通常需要在系统中引入合适的附加装置，它的作用通常是对系统

8、中的误差信号开展比例、积分、微分等运算，形成适当的控制信号，以获得满意的控制性能。根据设计要求和性能指标，设计了比例-积分（PI）控制器，其原理图如图3所示。 3.5 TEC功率放大器 由于TEC致冷器是一个功率器件（温差较大时驱动电流需要超过1安培以上），因此，温度误差信号经过放大和处理以后需要功率驱动级对其开展驱动.TEC功率驱动器是由两个三极管构成的互补型功率放大电路（OCL），原理图如图3所示。其传递函数模型可以理解为一个增益环节。 4.温度控制电路的分析 本设计中采用的比例-积分控制器，其传递函数为： $7. 根据温度控制电路图可画出其控制系统框图，如图4所示： 设K =T* V b

9、* K t e c* A （式中：T为热敏电阻的温度系数，Vb为电桥电压，Ktec为致冷效率，A为环路中各放大环节的总增益），实验中采用的F U J I T S U激光器，T E C时间常数T t e c= 6 s,延迟时间为100毫秒，致冷效率Ktec=45。V,热敏电阻的温度系数T=0.0097（25时），电桥电压2.5V,环路中各放大环节的总增益为A,所以环路总增益K=T*Vb*Ktec*A=0.0097*2.5*45*7*10=78,Kp=15/22、Ki=100/22,Ti=4.7.系统到达稳态后的环路增益为A（Kp+Ki）=78（15+100）/22=407,此时， 系统的稳态误差等于1 /A（Kp+Ki）=0.0024,如果想取得更小的稳态误差，可适当增加Ki以及Ti的值。 5.温度控制电路设计总结 测试中分别采用了比例控制器、积分控制器和比例-积分控制器开展了试验，采用比例控制器系统的响应时间快，但稳定性很难控制；采用积分控制器系统稳定性相对于比例控制器有所提高，但是系统的响应时间将变得非常缓慢；采用比例-积分（PI）控制器系统响应时间有了很大改善，系统的的稳定性较好（图5为PI控制器上电阶跃响应实测图），对于一般的温控系统，这样的动态性能已能满足需求。 对于需要较快速响应的场合，可考虑采用比例-积分-微分（P