半導體雷射器自動溫度控制電路設計

本文對用於通信設備的半導體雷射器溫度控制電路進行了模型建立和分析，並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據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的要求。

0引言

在光纖通信領域，通常使用半導體雷射器作為光源，而半導體雷射器的發射波長與管芯的溫度密切相關，溫度升高將導致波長變長（一般為0.1nm℃），對於一般的單波長光通信系統來說，波長的漂移對系統性能並無太大影響。但對於密集波分復用系統（DWDM），由於通道間的波長間隔已經很小，保持波長的穩定就變得非常重要。例如，工作在C波段的32波系統，通路波長間隔為100GHz（約0.8nm），而工作在C+L波段的160波系統，通路波長間隔為50GHz（約0.4nm）。因此，如果不對雷射器管芯的溫度加以控制，微小的溫度變化將導致整個系統的不可用。另外，半導體雷射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。

實驗表明，溫度每升高30℃雷射器的壽命會降低一個數量級。對於可靠性要求高的場合，且保證雷射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自動溫度控制電路（ATC）來實現對雷射器管芯的溫度控制。

1.溫度控制系統原理

如圖1是一個典型的溫度控制系統原理框圖，傳感器將測量到的實際溫度值與設定溫度值進行比較得出誤差信號，誤差信號送入控制器並驅動執行器對溫度進行調節，由於反饋的作用，使得整個系統的溫度始終穩定在設定值上。

在光通信系統中，一般有兩類光源需要進行溫度控制。一類是作為通信光源用的雷射器，一類是泵浦雷射器，而在這兩類光器件中，通常都集成了用於構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）。

那麼，外圍電路就需要完成溫度檢測信號的放大，經過適當的控制器電路後，通過功率放大器去驅動TEC致冷器完成溫控過程。因此，溫控電路主要的環節有：

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

一般帶致冷雷射器的常見結構是首先將雷射器、背光管、熱敏電阻等組件安裝在一個子熱沉上，然後再固定到TEC製冷器上，當溫控電路正常工作時，位於TEC上的子熱沉將恆定在某一設定溫度值。當給TEC致冷器通不同極性的電流時能夠分別實現致冷或致熱，無論處於致冷還是致熱狀態，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，當時間足夠長時由於外界的熱交換達到了平衡狀態，溫度將維持在某一個值（即與殼體間的恆定溫差ΔT）。因此可以推測TEC致冷器在傳遞函數模型上類似於一階慣性環節為了確定Ktec和Ttec，以某恆定電流作為TEC致冷器輸入，並通過熱敏電阻檢測溫度的變化，將採集到的溫度與時間的關係通過計算機繪製得到相應的曲線。

以雷射器FUJITSU的FLD5F6CXF為例，經過測量Ttec可取6秒，Ktec可取90，即1安培電流能獲得的溫差約為90℃。由於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雷射器的熱延遲時間t大約為100毫秒左右，由於延遲的存在，相當於在控制迴路中增加了一個延遲環節。

3.溫度檢測及放大電路

3.1熱敏電阻

為了檢測雷射器管芯的溫度，雷射器中通常在TEC致冷器上集成了一個負溫度係數的熱敏電阻（NTC）來作為溫度傳感器，其電阻值與溫度間的關係為：

（其中：β為熱敏元件的材料常數；T、T0為開氏溫度；RT、R0對應於T、T0下的熱敏電阻阻值。）根據器件硬體手冊上給出的β常數以及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。但由於雷射器溫度控制電路最終都是穩定在某個溫度點上，而在此溫度範圍內，若定義為熱敏電阻的溫度係數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，在雷射器一般的工作溫度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

為了將溫度轉換成電信號一般採用直流電橋來實現，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，設為ΔR1，此時電橋將失去平衡。