半导体激光器温度控制研究_曾华林

基于单片机的大功率半导体激光器温度控制系统的设计
本文介绍了一个基于单片机的大功率半导体激光器温度控制系统的设计方案。

该系统主要由激光器控制电路、温度传感器、温度控制器和单片机控制模块构成，通过对激光器的温度进行实时监测和调节，有效地提高了激光器的稳定性和可靠性。

该系统采用最小二乘法实现多项式拟合算法，通过对激光器温度进行采样和处理，得到温度与电流之间的关系，并实现PID 控制算法，通过调整激光器的电流，控制激光器的温度在设定的范围内波动，从而改善激光器的光学性能和寿命。

该系统中所用的温度传感器具有快速响应、高精度、抗干扰等特点，可以有效地控制激光器的温度波动。

同时，单片机控制模块采用了强大的处理能力和可编程性，能够实现复杂的温度控制算法和实时监测，使得系统具有高速、高精度、高可靠性等优点。

在实际应用中，该系统可以广泛应用于半导体激光器、气体激光器、光纤激光器等领域，为激光器系统的稳定性、光学性能和寿命等提供了有效的保障。

同时，该系统还可以通过二次开发和优化，实现更加复杂和高性能的激光器控制系统，为今后激光技术的发展和应用提供更加强有力的支持。

半导体激光器温控方法回顾-光学论文-物理论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——摘要：温度对半导体激光器的工作特性有很大的影响, 所以对于半导体激光器温度控制的精度、响应速度要求都比较高。

虽然人们已经提出了很多控制方法, 并且在个别场合已有应用, 但是要实现精度、更快响应速度的控制还有很多需要解决。

本文对近几年有关半导体激光器温度控制的方法, 及一些改进措施进行了简单的介绍, 以供从事半导体激光器温度控制研究的人员参考。

关键词：温度控制; 半导体激光器; PID控制; 模糊控制;一、引言半导体激光器在各个领域的应用越来越广泛, 具有很好的应用前景。

但是半导体激光器的阈值电流、输出功率和输出光波长都很容易受到温度的影响[1-2], 所以, 半导体激光器的使用一般都伴随着对其温度的控制。

就目前诸文献显示表明, 对半导体激光器的温度控制一般使用的执行器件是半导体制冷器(TEC) [3], 半导体制冷器是一种集制冷与制热于一体的电流驱动温度控制装置。

对于半导体激光器的温度控制就是实现对TEC的精确控制。

二、PID温度控制方法半导体激光器温度控制使用最广泛的控制方法就是PID控制。

PID控制是比例、积分、微分控制的简称。

它是一种线性控制器, 根据给定值和实际输出值构成控制偏差, 将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量, 对被控对象进行控制。

其数学模型可由下式表示[4]:控制系统结构如图1[5]:图1 PID控制结构图文献[6]中选用ADI公司的TEC专用控制器ADN8830和TI公司生产的32位定点DSP芯片TMS320F2812分别做为主控芯片, 来实现对半导体激光器PID温度控制, 并进行了对比。

两种温度控制方法的精度都可达到0.125℃, 但基于TMS320F2812的温控方法达到稳定需要的响应时间是180S, 而基于ADN8830的控制方法80S就能达到平衡状态, 并且该方法体积小、功耗低。

第４期邹文栋等：基于ＴＭｓ３２０Ｆ２８１２的半导体激光器温度控制对于本系统，ＰＷＭ方波的频率是由ＴＩＰＲ寄存器控制的，当设置Ｔ１ＰＲ为５ＤＣＨ时，输出频率为５０Ｋ。

此时滤波效果很好，见图５（占宅比为６９．３％）。

图５滤泼输出波形Ｆｉｇ．５Ｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｆｉｌｔｅｒｅｄｏｕｔｐｕｔ２．３脉宽调制器ＰＷＭ输出ＤＳＰＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的事件管理模块总共能输出１６路ＰＷＭ信号，文中仅需要输出一路占空比可调的ＰＷＭ信号，并没计从ＰＷＭｌ引脚输出该方波信号。

文中选用通用定时器１（ＴＩ）作为时基；全比较单元１保存调制值；计数方式采用连续增计数模式。

ＰＷＭ占空比值与五的三角波数据比较，输出ＰＷＭ信号控制半导体制冷片工作。

各寄存器设置如下（高速外设时钟为７５ＭＨｚ）ｔ６－Ｔａ：ＥｖａＲｅｇｓ．ＴＩＰＲ＝０ｘＳＤＣ；ＥｖａＲｅｇｓ．ＣＭＰＲｌ＝ＰＷＭ术ｌ５００；ＥｖａＲｅｇｓ．Ｔ１ＣＮＴ＝０ｘ００００；ＥｖａＲｅｇｓ．ＴＩＣＯＮ．ａｌｌ＝０ｘｌ０４２；文中设计的ＰＷＭ载波频率为５０Ｋ，ＤＳＰＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的计数器记数范围为０－５ＤＣ，为此设当系统装入ＣＭＰＲｌ寄存器的值为０或５ＤＣＨ时，输出恒为高电平或低电平。

以向ＣＭＰＲｌ写入０Ｘ２ＥＥ为例，ＰｗＭｌ引脚输出频率为５０Ｋ的方波，连接到ＴＥＣ驱动电路，上电工作，测得ＴＥＣ驱动电路的输入输出信号，它们的波形分别如图６（Ｑ，、ａ。

），图７（Ｑ３、ａ。

）所示。

图６比较放大驱动电路的输入信号Ｆｉｇ．６ＩｎｐｕｔｓｉｇｎａｌｓｏｆｃｏｍｐａｒｉｎｇａｍｐｌｉｆｉｅｒｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔＩ冬Ｉ７比较放大驱动电路的输出信号Ｆｉｇ．７Ｏｕｔｐｕｔｓｉｇｎａｌｓｏｆｃｏｍｐａｒｉｎｇａｍｐｌｉｆｉｅｒｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔ３ＴＭ￥３２０Ｆ２８１２温度控制温控设计硬件流程为温度传感器ＤＳｌ８８２０探测ＬＤ的工作温度，ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２通过定时中断来控制温度的读取。

系
系主任
批准日期
毕业设计（论文）任务书
精密仪器工程系光信息科学与技术专业光信071 班学生魏双宏
一、毕业设计(论文课题半导体激光器温度控制系统设计
二、毕业设计(论文工作自 2011 年 2 月 28 日起至 2011 年 6 月 26 日止
三、毕业设计(论文进行地点西安理工大学
四、毕业设计(论文的内容要求
毕业设计的主要内容有以下几点：
1、查阅文献，了解半导体激光器（LD）的组成，了解温度对LD输出特性的影响；
2、进行LD温度控制系统的方案设计及可行性研究；
3、查阅资料，掌握半导体制冷硅的工作原理；
4、设计系统的硬件部分；
硬件系统主要包括温度检测电路设计、单片机接口电路设计、TEC驱动电路设计等；
5、设计系统的软件部分；
6、对系统的软硬件进行调试，并解决调试中出现的问题
7、最终完成温度闭环控制。

要求：控温范围：20℃～30℃，稳定度：0.1℃。

8、英文翻译。

与课题有关的英文资料，不少于3000 字。

要求：
1、第四周完成开提报告，主要论证所设计的方案；
2、文献综述不少于5000字；
3、参考文献不少于15篇，其中英文文献不少于3篇。

负责指导教师
指导教师
接受设计论文任务开始执行日期
学生签名。

半导体激光器的温控电路设计＊陈建萍1,刘润华2(1.赣南师范学院物理与电子信息学院;2.赣南教育学院物理系,江西赣州　341000)摘　要:针对半导体激光器的工作需要,提出了一种基于硬件ＰＩＤ技术的精密温控电路,通过对该温控电路系统的原理分析及详细设计,实验结果表明了调整该电路的积分电容ＣＦＦ值能使半导体激光器的温控精度达到0.1℃的恒温精度,改善了温控电路的动态特性和稳定性.关键词:半导体激光器;硬件ＰＩＤ;温控电路中图分类号:ＴＮ249 文献标识码:Ａ 文章编号:1004-8332(2010)03-0074-03随着激光技术和光电子技术的发展,光纤通信在通信领域中的地位越来越重要.在光纤通信中,一种关键技术是控制半导体激光器的工作.半导体激光器是一种温度敏感器件,微小的温度变化能使激光器输出波长产生明显的变化,而光纤通信系统要求半导体激光器工作在恒定的固定波长状态,这就要求对半导体激光器进行精密的温控.通常,半导体激光器要求工作在25℃状态,要求正负0.1℃的恒温精度.半导体激光器内部通常封装ＴＥＣ制冷片和热敏电阻,无需外接元件.本文针对半导体激光器的工作需要,提出一种基于硬件ＰＩＤ技术的精密温控电路,使温控精度为正负0.1℃.1　系统设计及关键元件图1　温控系统框图该温控电路采用半导体激光器内部ＴＥＣ作为温控元件,采用半导体激光器内部10Ｋ负温度系数热敏电阻作为感温元件,采用ＳＴＣ12Ｃ2052单片机作为核心控制元件,采用模拟集成芯片ＡＭＣ7820构建硬件ＰＩＤ回路,并实现ＡＤ转换和ＤＡ转换,采用ＰＷＭ驱动器ＤＲＶ591作为功率驱动元件,实现了温控系统.系统框图如图1所示:ＡＭＣ7820是德州仪器公司(ＴＩ)推出的专为多通道应用而设计的模拟监视与控制电路[1].它内含一个8图2　ＡＭＣ7820内部结构框图通道12位模数转换器、3个12位数模转换器、9个运算放大器、1个热控电流源、1个内部+2.5Ｖ基准和1个ＳＰＩ串行接口.应用该器件可对光放大器中的泵激光电流和热电致冷器(ＴＥＣ)以及ＤＷＤＭ(利用光波长进行数据传输)应用中的光功率进行控制和监控,并可大大降低成本.ＡＭＣ7820内部结构框图如图2所示:ＤＲＶ591是一款适用于驱动半导体制冷片的高效高功率放大器[2],工作电压为2.8-5.5Ｖ.由于它工作在ＰＷＭ调制模式下,并且具有低输出电阻,从而使它的内部耗散功率极低,不容易发热.ＤＲＶ591内部ＰＷＭ调制频率可以由外部元件选定工作在100ＫＨＺ模式或者500ＫＨＺ模式,电压增益约为2.3Ｖ/Ｖ.2010年 赣南师范学院学报 №.3第三期 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧａｎｎａｎＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｊｕｎｅ.2010＊收稿日期:2010-03-18　作者简介:陈建萍(1981-),女,赣南师范学院物理与电子信息学院教师、硕士,主要从事半导体器件及材料.图3　ＤＲＶ591内部结构框图2　电路原理分析模拟部分电路与原理图如图4所示.图4　模拟部分电路图单片机通过ＤＡＣ0设定温度,设定的温度信号(电压)进入ＯＰＡ7[3]的同名端;一个100ｕＡ的精密恒流源流入热敏电阻,在热敏电阻上产生代表温度的电压,该电压经过电压跟随器放大电流,放大后进入ＯＰＡ7的异名端,ＯＰＡ7和一个包含两个电容一个电阻的ＲＣ网络构成一个误差放大器,该误差放大器把单片机设定的温度值和实际检测到的温度值进行比较放大,比较后的结果经过ＤＲＶ591放大,放大后的信号驱动ＴＥＣ,改变ＴＥＣ温控面的温度.如果ＴＥＣ温控面温度和单片机通过ＤＡ转换器设置的温度一致,误差放大器将会输出0信号,ＴＥＣ处于空闲状态;当受到环境温度微扰后ＴＥＣ温控面温度会产生变化,此时误差放大器会放大该误差并将结果反映为ＤＲＶ591的输出,控制流过ＴＥＣ的电流,系统温度最后会稳定在ＤＡＣ的输出值[4].3　温控电路稳定性改进电路制作完毕后,我们测试了该温控电路的性能.我们把环境温度从20℃变化为24℃时,记录下被控体的温度变化曲线,如图5所示:由图5可见,当环境温度升高4℃时,我们的温控电路要经过30秒左右的振荡才能稳定在24℃,30秒的时间对一个温控系统过长.为了解决该问题,我们加大了积分电容ＣＦＦ的数值,将其设在1ｕＦ,由图6可见,增加电容值以后,振荡时间缩短为25秒,这对于我们来说是良好的结果.最终电路的工作曲线如图7所示,当环境温度有正负20℃的变化时,温控电路仍然能稳定在正负0.005℃.这个结果优于我们正负0.1℃的设计要求.75第3期 陈建萍,刘润华　半导体激光器的温控电路设计图5　环境温度变化时的温度响应曲线图6　增加ＣＦＦ电容值后的温度响应曲线图7　温控电路最终运行结果4　结论本文设计了一种用于半导体激光器的精密温控电路,采用了硬件ＰＩＤ技术作为温度的稳定,仔细调整了积分电容ＣＦＦ值,使电路最终可以达到正负0.005℃的温控精度,响应时间10ｓ以内.实验验证结果表明改善了温控电路的动态特性和稳定性.参考文献:[1]　潘建.多通道模拟监视器件ＡＭＣ7820的原理及应用[Ｊ].国外电子元器件,2004(1):50～53.[2]　ＤＲＶ591ｄａｔａｓｈｅｅｔ[ＤＢ/ＯＬ],ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ(2002-05-09)[2009-11-01]ｈｔｔｐ://ｆｏｃｕｓ.ｔｉ.ｃｏｍ.ｃｎ/ｃｎ/ｄｏｃｓ/ｐｒｏｄ/ｆｏｌｄｅｒｓ/ｐｒｉｎｔ/ｄｒｖ591.ｈｔｍｌ?ｌｐｏｓ=Ｍｉｄｄｌｅ Ｃｏｎｔａｉｎｅｒ＆ｌｉｄ=Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ.[3]　ＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣｉｒｃｕｉｔＣｏｌｌｅｃｔｉｏｎ[ＥＢ/ＯＬ],ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ(2005-03)[2009-11-01]ｈｔｔｐ://ｗｗｗ.ｔｉ.ｃｏｍ/ｓｃ/ｐｓｈｅｅｔｓ/ｓｂｅａ001/ｓｂｅａ001.ｐｄｆ[4]　Ｙ.Ｓｕｎ,Ａ.Ｋ.Ｓｒｉｖａｓｔａｖａ,Ｊ.Ｚｈｏｕ,ａｎｄＪ.Ｗ.Ｓｕｌｈｏｆｆ,.ＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒｓｆｏｒＷＤＭＯｐｔｉｃａｌＮｅｔｗｏｒｋｓ[Ｊ/ＯＬ]ＢｅｌｌＬａｂｓＴｅｃｈｎｉｃａｌＪｏｕｒｎａｌ,1999(1):187-206.ＤｅｓｉｇｎｏｆＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｎｔｒｏｌＣｉｒｃｕｉｔｏｆＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＬａｓｅｒＣＨＥＮＪｉａｎ-ｐｉｎｇ1,ＬＩＵＲｕｎ-ｈｕａ2(1.ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ,ＧａｎｎａｎＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ;2.ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓ,ＧａｎｎａｎＥｄｕｃａｔｉｏｎａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ,Ｇａｎｚｈｏｕ341000,Ｃｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ,ｉｔｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄａｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔｂａｓｅｄｏｎｈａｒｄｗａｒｅ-ｂａｓｅｄｐｒｅｃｉｓｉｏｎＰＩＤｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏｍｅｅｔｔｈｅｎｅｅｄｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｓ,ｔｈｒｏｕｇｈｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｄｅｔａｉｌｅｄｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔｓｙｓｔｅｍ,ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅ-ｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｏｆｔｈｅｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｌｃａｐａｃｉｔｏｒＣＦＦｏｆｔｈｉｓｃｉｒｃｕｉｔｍａｋｅｓｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓｌａｓｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌａｃｃｕｒａｃｙｏｆ0.1℃ｏｆｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｃｃｕｒａｃｙ,ｔｈｕｓｉｍｐｒｏｖｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｓ;ｈａｒｄｗａｒｅＰＩＤ;ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔ76赣南师范学院学报 2010年。

大功率半导体激光器高精度温控系统研究王宗清;段军;曾晓雁【摘要】为了减小温度对半导体激光器输出光波长和功率稳定性的影响，设计了由恒流模块驱动半导体制冷器，通过改变恒流模块的电流来控制半导体制冷器的制冷量，利用分段积分的比例－积分－微分控制算法，选择最优控制参量，实现大功率半导体激光器的精密温控系统。

系统包括高精度测温电路、控制核心DSPF28335、半导体制冷器控制电路、人机交互及通信模块。

在5℃～26℃环境下对系统进行测试，实现50W大功率半导体激光器的恒温控制，温控范围为15℃～45℃，温控精度达到±0．02℃。

结果表明，该系统温控范围广，控制精度高，满足大功率半导体激光器的温控要求。

%In order to reduce the influence of temperature on output wavelength and power stability of semiconductor lasers, a constant current module was designed to drive thermoelectric cooler .The cooling capacity of the thermoelectric cooler was controlled by changing the current of the constant current module .The optimal control parameters of proportion-integration-differentiation algorithm were set to realize high precision temperature control .The system consists of high precision temperature measurement circuit , control core of DSP F28335, thermoelectric cooler control circuit , human-computer interaction and communication module .Constant temperature control was realized for a 50W high power laser diode at 5℃~26℃ambient temperature, the temperature control accuracy reached ±0.02℃at 15℃~45℃.The results show that this system has a wide temperature control range and highcontrol precision , which satisfies the requirement of temperature control of high power semiconductor lasers .【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】4页(P353-356)【关键词】光电子学;温度控制;恒流源;半导体激光器;温控算法【作者】王宗清;段军;曾晓雁【作者单位】华中科技大学武汉光电国家实验室，武汉430074;华中科技大学武汉光电国家实验室，武汉430074;华中科技大学武汉光电国家实验室，武汉430074【正文语种】中文【中图分类】TP273引言半导体激光器(laser diode，LD)的性能受温度的影响很大，如阈值电流、输出光波长和功率都会随温度变化。

半导体激光器件中的杂散光抑制与衰减技术研究引言：在半导体激光器件的应用中，杂散光的抑制与衰减技术是一个重要的研究方向。

随着激光器件的不断发展和应用领域的扩大，如光通信、激光雷达、光学传感等，对激光器件的杂散光抑制和衰减技术的需求也越来越高。

本文将围绕半导体激光器件中的杂散光抑制与衰减技术展开详细的探讨。

1. 杂散光的来源与特性杂散光，是指在激光器件中产生的除了主要激光光束之外，具有杂散角度分布、波长差异或相位差异的光线。

杂散光的产生主要包括以下几个方面：首先，由于激光器件的制造工艺存在不完美性，例如晶体生长过程中的杂质、材料的应力、晶格缺陷等，会在激光器件中引入一些非辐射性的能级，从而导致杂散光的产生。

其次，激光器件中的非线性光学效应也会导致杂散光的产生。

在高功率激光器件中，由于材料的非线性特性，会出现光学失效现象，进而产生杂散光。

此外，激光器件的热效应也是杂散光产生的重要原因之一。

激光器件在工作过程中会产生大量的热，而这些热量如果无法迅速散走，会导致材料结构的变化，从而产生杂散光。

2. 杂散光抑制技术为了降低杂散光的影响，提高半导体激光器件的性能，科学家们开展了大量的研究，并取得了一系列的突破与进展。

以下将介绍几种常见的杂散光抑制技术。

（1）材料优化技术材料的优化是抑制杂散光的关键。

通过对激光器件中使用的材料进行优化选择，可以降低杂散光的产生。

例如，选择具有较高光学均匀性和较低杂质含量的材料来替代传统材料，可以有效减少杂散光的产生。

此外，在材料的生长与加工过程中，采用合适的工艺条件也可以降低杂散光的产生。

例如，通过优化晶体生长过程中的温度、压力、速度等参数，可以优化材料的结晶质量，从而减少杂散光。

（2）光学设计技术光学设计技术是抑制杂散光的另一种关键手段。

通过采用一系列的光学元件来控制激光光束的传播和聚焦过程，可以最大程度地抑制杂散光的产生。

例如，利用光学透镜、棱镜等元件来控制激光的传输路径，可以减少杂散光的产生。