半導體激光器自動(dòng)溫度控制電路設計

本文對用于通信設備的半導體激光器溫度控制電路進(jìn)行了模型建立和分析，并從自動(dòng)控制的角度對溫控電路形式進(jìn)行了詳細的性能指標分析和測試，通過(guò)對不同的控制方法的仿真分析和實(shí)測數據的對比得出了一種較為有效的溫度控制電路，可以滿(mǎn)足一般溫控系統的要求。

0引言

在光纖通信領(lǐng)域，通常使用半導體激光器作為光源，而半導體激光器的發(fā)射波長(cháng)與管芯的溫度密切相關(guān)，溫度升高將導致波長(cháng)變長(cháng)（一般為0.1nm℃），對于一般的單波長(cháng)光通信系統來(lái)說(shuō)，波長(cháng)的漂移對系統性能并無(wú)太大影響。但對于密集波分復用系統（DWDM），由于通道間的波長(cháng)間隔已經(jīng)很小，保持波長(cháng)的穩定就變得非常重要。例如，工作在C波段的32波系統，通路波長(cháng)間隔為100GHz（約0.8nm），而工作在C+L波段的160波系統，通路波長(cháng)間隔為50GHz（約0.4nm）。因此，如果不對激光器管芯的溫度加以控制，微小的溫度變化將導致整個(gè)系統的不可用。另外，半導體激光器是對溫度敏感的器件，其閾值電流、輸出波長(cháng)以及輸出光功率的穩定性都對溫度非常敏感，其工作壽命也與其工作溫度密切相關(guān)。

實(shí)驗表明，溫度每升高30℃激光器的壽命會(huì )降低一個(gè)數量級。對于可靠性要求高的場(chǎng)合，且保證激光器的壽命就需要對管芯溫度加以控制，這樣在系統中就需要附加一個(gè)自動(dòng)溫度控制電路（ATC）來(lái)實(shí)現對激光器管芯的溫度控制。

1.溫度控制系統原理

如圖1是一個(gè)典型的溫度控制系統原理框圖，傳感器將測量到的實(shí)際溫度值與設定溫度值進(jìn)行比較得出誤差信號，誤差信號送入控制器并驅動(dòng)執行器對溫度進(jìn)行調節，由于反饋的作用，使得整個(gè)系統的溫度始終穩定在設定值上。

在光通信系統中，一般有兩類(lèi)光源需要進(jìn)行溫度控制。一類(lèi)是作為通信光源用的激光器，一類(lèi)是泵浦激光器，而在這兩類(lèi)光器件中，通常都集成了用于構成溫度控制電路的熱敏電阻和熱電致冷器（TEC：

進(jìn)行致冷或致熱）。

那么，外圍電路就需要完成溫度檢測信號的放大，經(jīng)過(guò)適當的控制器電路后，通過(guò)功率放大器去驅動(dòng)TEC致冷器完成溫控過(guò)程。因此，溫控電路主要的環(huán)節有：

溫度信號檢測放大電路、控制器電路以及功率放大電路等。

2.熱模型的建立

一般帶致冷激光器的常見(jiàn)結構是首先將激光器、背光管、熱敏電阻等組件安裝在一個(gè)子熱沉上，然后再固定到TEC制冷器上，當溫控電路正常工作時(shí)，位于TEC上的子熱沉將恒定在某一設定溫度值。當給TEC致冷器通不同極性的電流時(shí)能夠分別實(shí)現致冷或致熱，無(wú)論處于致冷還是致熱狀態(tài)，溫度都不會(huì )突變，而是一個(gè)緩慢變化的過(guò)程。而在一定的電流下，當時(shí)間足夠長(cháng)時(shí)由于外界的熱交換達到了平衡狀態(tài)，溫度將維持在某一個(gè)值（即與殼體間的恒定溫差ΔT）。因此可以推測TEC致冷器在傳遞函數模型上類(lèi)似于一階慣性環(huán)節為了確定Ktec和Ttec，以某恒定電流作為T(mén)EC致冷器輸入，并通過(guò)熱敏電阻檢測溫度的變化，將采集到的溫度與時(shí)間的關(guān)系通過(guò)計算機繪制得到相應的曲線(xiàn)。

以激光器FUJITSU的FLD5F6CXF為例，經(jīng)過(guò)測量Ttec可取6秒，Ktec可取90，即1安培電流能獲得的溫差約為90℃。由于TEC致冷器和溫度傳感器之間存在一定的距離，所以還需考慮這種距離帶來(lái)的溫度延遲時(shí)間，被測的FUJITSU激光器的熱延遲時(shí)間t大約為100毫秒左右，由于延遲的存在，相當于在控制回路中增加了一個(gè)延遲環(huán)節。

3.溫度檢測及放大電路

3.1熱敏電阻

為了檢測激光器管芯的溫度，激光器中通常在TEC致冷器上集成了一個(gè)負溫度系數的熱敏電阻（NTC）來(lái)作為溫度傳感器，其電阻值與溫度間的關(guān)系為：

（其中：β為熱敏元件的材料常數；T、T0為開(kāi)氏溫度；RT、R0對應于T、T0下的熱敏電阻阻值。）根據器件硬件手冊上給出的β常數以及25℃時(shí)熱敏電阻的阻值，由式1便可以計算出任意溫度下熱敏電阻的阻值。熱敏電阻的靈敏度比較高，非線(xiàn)性也很?chē)乐?。但由于激光器溫度控制電路最終都是穩定在某個(gè)溫度點(diǎn)上，而在此溫度范圍內，若定義為熱敏電阻的溫度系數αT，則由式1可得：

由式2可見(jiàn)，αT隨溫度降低而增大。

當（T0 =298K即25℃時(shí)），β=3450K時(shí)，在激光器一般的工作溫度25℃（298K）下，αT = 3.885%%℃。當溫度變化ΔT時(shí)，電阻值的變化為：

3.2直流電橋

為了將溫度轉換成電信號一般采用直流電橋來(lái)實(shí)現，其原理圖如圖2所示：

Vb為電橋供電電壓，Vout為電橋的輸出，則電橋的輸出電壓為：

時(shí)電橋平衡，電橋輸出為零。一般，為了使電橋靈敏度高，常取電橋上的各個(gè)電阻值相等，即R1 / R2 = R3 / R4 =1.當R1為熱敏電阻時(shí)，溫度的變化將引起熱敏電阻阻值的變化，設為ΔR1，此時(shí)電橋將失去平衡。