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半导体激光器的高精度温度控制优化设计_论文


维普资讯 http://www.cqvip.com 20 0 6年 第 3期   文章编号 : 0 — 37 20 )3 0 1 l 1 5 38 (06 0 — 06一 8 0   半导体激 光器 的高 精度温度 控制优化设计  李建 威  姚 和军  韩 建 国  张志新  李 ( . 京化 工 大学 , 京 1北 北 摘 健  10 2 ) 0 09  10 2 ; 2 中 国计 量科 学研 究 院 , 京 00 9 . 北 要: 温度对半 导体激光器 ( D) L 发射器 的特性有较大 的影 响 , 随着温度 的增加 , 阈值 电流呈指数增加 , 出功率和斜 率  输 分别 呈抛 物线和指数关系递减 , 同时特 征温度也减少 , 波长 随温 度的漂移 系数为 0 2 n / .4 m ' 。为 了使 半导体激 光器 的激 光  E… 波长和输 出功率稳定 , 必须对其温 度进 行高精度 的控制 。利 用积分分离式 PD控制原理 设计 了温 度控制 系统 , 制精度达 到  I 控 ± .  ̄ 与普通 PD控制器相 比, 大的提高 了系统 的瞬态 特性 。 0I C, I 极   关键词 : 导体激光器 ; 半 温度控制 ; I PD控制 ; 瞬态特性  中 圈分类号 :P 7   T 22 文献标识码 :  A 0 引言  半导体激光 器具有 体 积小 、 量轻 、 入 电压 小 、 重 输   温 控系统  制冷  加热  双 向制冷  苴  片  机  结构简单、 寿命长、 转换效率高、 功耗低、 结构简单、 价  格低廉、 使用安全、 易于调制 等有利因素, 现代光纤  通讯系统 均使 用半 导 体光 源 器件 。11n 尾纤 型 激  30m 光器可用于光纤通信 , 有线 电视 回传, 仪器仪表等领  域。它的光谱宽度为 5m, n 阈值 电流为 1 A 工作 电 5 , m   流 为 I1 2m 工作 温 度 一 ~+6 ( , 佳工 作  d + 0 A, 加 5 ℃)最 温度 2 3 ( ) 。可见 , 8~ 0 ℃  J 温度 对半 导体激 光器 的特  二二 二  ] [ 半 导体激  光器装置  温度检测装置 广——— ‘ 采样保持    图 1 恒 温 控 制 系统 结 构 图  测 温 系统 部 分 有一 个 参 考 腔 , 的 材料 及 质量  它 与接 收 腔相 同 , 它通 过 一 个 与接 收腔 热 连 管 相 同 的  热连 管 与热沉 相 连 , 参 考 腔 上有 一 个 与 接 收 腔 同  在 性有很大的影响。为了使半导体激光器的激光波长和  输出功率稳定 , 必须对其温度进行高精度的控制。   样的温度传感器 , 但没有电加热器也不接收光辐射 ,   所 以它 与热沉 名 义上 是绝 热 的。用 精密 交流 电桥 测  量接 收腔和参考腔上两个温度传感器的比率来确定  接 收腔 的温 度变 化 , 而不 是测量 接 收腔 的绝对 温 度 。   这 是 因为热 沉 的温 度 不 可 能 常 时 间保 持 不 变 , 比  用 1 激光器温度特性  温度特性主要影响到 L D的平均 发送光功率 、  P I 特性 的线 性及 工 作 波 长 。 当温 度 增 加 时 ,D 的  L — 平均发送光功率就会下 降 , 例如 1 1n 30 m波段光源  平均 发 送 光 功 率 随 温 度 的 变 化 率 约 为 一0 .   0 m ℃ 。此 外 , 作 温 度 的增 大 还 会 使 L 6 w/ 工 D线 性   工作 区域 变 窄 , 而增 加 了光 发送 电路 的噪声 , 致  从 导 率测量可以消除温度漂移的一 阶周期 , 以得到 比 可   热沉温度控制更高精度的测量结果 。所得测量结果  经过高精度信号放大 电路进行放 大 , 放大 1 10 到 0  倍, 此电路为高精度控制提供有利保证 , 此激光器温  度 测 量 部 分 对 激 光 器 温 度 测 量 的 精 度 可 以 达 到  1  ℃ , 是 测量量 程 变小  。 0 但   一   系统性能的降低 。随着温度的增 加 , 还会使峰值工  作波长 向长 波方 向漂移 ( 短波 长波段 漂 移率约 为  0 5 m ' ~0 8 m o 长 波 长 波 段 漂 移 率 约 为  .n / E . r /C, i 08m ' , .n / E) 导致 系 统 附加衰 减增 大 。   放大后 的信号进入 PD控制网络 , I 当被控量与  设 定值 偏差 较 大时 , 取消 积分 作用 , 以免 由于积 分作  用使系统稳定性降低 , 超调量增大 ; 当被控量接近给  定值时 , 引入积分控制 , 以便消除静差 , 提高控制精  度 。根据 PD处 理结 果 , 动执 行 机 构 控 制 制冷 器  I 驱 制冷 或加 热 , 而 为保 持 激 光 器 的温 度 恒 定 提供 了  从 必要的保证。其具体实现步骤如下 :   2 激 光 器 温 度 测 量 、 制 工 作 原 理  控 半 导 体激 光器 恒 温 控 制 系统 结 构 如 图 1所示 ,   该 系统 由温 度检 测 与采 样 保 持 部 分 、 央处 理 器 部  中 分 、 制策 略 与温控 驱 动部 分 、 冷 驱动 部分 和通讯   控 致 显示 部分组 成 五个 部分 组 成 :   一 1 )根据实际情况 , 人为设定阈值 占 0  >; 1 一   6 维普资讯 http://www.cqvip.com 2 )当 J r ( ) > 时,   o | J  e rI r } 采用 比例 、 积分控制即  P D控制 , 可避免产生过大的超调 , 又使 系统有较快  的响应 ;   制器给控制对象的控制输出, 从而使得控制对象的过  渡过程达


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