半导体激光器自动温度控制电路设计

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本文对用于通信设备的半导体激光器温度控制电路进行了模型建立和分析，并从自动控制的角度对温控电路形式进行了详细的性能指标分析和测试，通过对不同的控制方法的仿真分析和实测数据的对比得出了一种较为有效的温度控制电路，可以满足一般温控系统的要求。
       
        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。
       
        实验表明，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进行比较得出误差信号，误差信号送入控制器并驱动执行器对温度进行调节，由于反馈的作用，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，一般有两类光源需要进行温度控制。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：
       
        进行致冷或致热）。
       
        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结构是首先将激光器、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达到了平衡状态，温度将维持在某一个值（即与壳体间的恒定温差ΔT）。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：β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β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最终都是稳定在某个温度点上，而在此温度范围内，若定义为热敏电阻的温度系数αT，则由式1可得：
       
        由式2可见，αT随温度降低而增大。
       
        当（T0 =298K即25℃时），β=3450K时，在激光器一般的工作温度25℃（298K）下，αT = 3.885%%℃。当温度变化ΔT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ΔR1，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），β=3450K时，在激光器一般的工作温度25℃（298K）下，αT = 3.885%%℃。则此时电桥的输出为：Vout = 0.0097 -Vb /ΔT.
       
        3.3仪表放大器
       
        由于电桥输出的信号幅度较小，需要进行放大后再提供给后级使用，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进行放大，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中的误差信号进行比例、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进行驱动[6].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
       
        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 =αT* V b* K t e c* A（式中：αT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αT=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=αT*Vb*Ktec*A=0.0097*2.5*45*7*10=78，Kp=15/22、Ki=100/22，Ti=4.7.系统达到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-积分控制器进行了试验，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（PID）控制器，通过增加微分环节来提高系统的瞬态响应。
       
        另外，考虑到不同厂家不同型号或同一厂家不同型号的激光器在性能参数上都存在差异，以及放大电路的温度漂移、非线性等，这些都对温控电路参数有一定的影响，因此在实际应用中温度控制电路的各个参数需要根据所选用的激光器来选取，并结合仿真以及试验将参数调节到最佳值。