半導(dǎo)體激光器自動溫度控制電路設(shè)計

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

0引言

在光纖通信領(lǐng)域，通常使用半導(dǎo)體激光器作為光源，而半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長與管芯的溫度密切相關(guān)，溫度升高將導(dǎo)致波長變長（一般為0.1nm℃），對于一般的單波長光通信系統(tǒng)來說，波長的漂移對系統(tǒng)性能并無太大影響。但對于密集波分復(fù)用系統(tǒng)（DWDM），由于通道間的波長間隔已經(jīng)很小，保持波長的穩(wěn)定就變得非常重要。例如，工作在C波段的32波系統(tǒng)，通路波長間隔為100GHz（約0.8nm），而工作在C+L波段的160波系統(tǒng)，通路波長間隔為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(dǎo)致整個系統(tǒng)的不可用。另外，半導(dǎo)體激光器是對溫度敏感的器件，其閾值電流、輸出波長以及輸出光功率的穩(wěn)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)。

實驗表明，溫度每升高30℃激光器的壽命會降低一個數(shù)量級。對于可靠性要求高的場合，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(tǒng)中就需要附加一個自動溫度控制電路（ATC）來實現(xiàn)對激光器管芯的溫度控制。

1.溫度控制系統(tǒng)原理

如圖1是一個典型的溫度控制系統(tǒng)原理框圖，傳感器將測量到的實際溫度值與設(shè)定溫度值進行比較得出誤差信號，誤差信號送入控制器并驅(qū)動執(zhí)行器對溫度進行調(diào)節(jié)，由于反饋的作用，使得整個系統(tǒng)的溫度始終穩(wěn)定在設(shè)定值上。

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

進行致冷或致熱）。

那么，外圍電路就需要完成溫度檢測信號的放大，經(jīng)過適當?shù)目刂破麟娐泛螅ㄟ^功率放大器去驅(qū)動TEC致冷器完成溫控過程。因此，溫控電路主要的環(huán)節(jié)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結(jié)構(gòu)是首先將激光器、背光管、熱敏電阻等組件安裝在一個子熱沉上，然后再固定到TEC制冷器上，當溫控電路正常工作時，位于TEC上的子熱沉將恒定在某一設(shè)定溫度值。當給TEC致冷器通不同極性的電流時能夠分別實現(xiàn)致冷或致熱，無論處于致冷還是致熱狀態(tài)，溫度都不會突變，而是一個緩慢變化的過程。而在一定的電流下，當時間足夠長時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(shù)模型上類似于一階慣性環(huán)節(jié)為了確定Ktec和Ttec，以某恒定電流作為TEC致冷器輸入，并通過熱敏電阻檢測溫度的變化，將采集到的溫度與時間的關(guān)系通過計算機繪制得到相應(yīng)的曲線。

以激光器FUJITSU的FLD5F6CXF為例，經(jīng)過測量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的溫度延遲時間，被測的FUJITSU激光器的熱延遲時間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延遲環(huán)節(jié)。

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負溫度系數(shù)的熱敏電阻（NTC）來作為溫度傳感器，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(shù)；T、T0為開氏溫度；RT、R0對應(yīng)于T、T0下的熱敏電阻阻值。）根據(jù)器件硬件手冊上給出的β常數(shù)以及25℃時熱敏電阻的阻值，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，非線性也很嚴重。但由于激光器溫度控制電路最終都是穩(wěn)定在某個溫度點上，而在此溫度范圍內(nèi)，若定義為熱敏電阻的溫度系數(shù)αT，則由式1可得：

由式2可見，αT隨溫度降低而增大。

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

3.2直流電橋

為了將溫度轉(zhuǎn)換成電信號一般采用直流電橋來實現(xiàn)，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，常取電橋上的各個電阻值相等，即R1 / R2 = R3 / R4 =1.當R1為熱敏電阻時，溫度的變化將引起熱敏電阻阻值的變化，設(shè)為ΔR1，此時電橋?qū)⑹テ胶狻?