CN104298278A - 一种基于pd的激光器温度控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于PD的激光器温度控制系统，包括温度测量子系统、温度控制子系统、温度控制执行器子系统、温度反馈子系统、温度显示子系统，其中温度测量子系统通过NTC间接获得激光器温度，将其转换为电信号并与设定值进行比较，输入至温度控制子系统；温度控制子系统采用智能控制算法对温度进行控制；温度控制执行器子系统将温度控制信号进行功率放大，驱动执行器TEC工作，对激光器热沉进行加热或制冷；温度反馈子系统将集成于激光器内部的PD(光电二极管)输出光电流转换为电压信号反馈回输入端；温度显示子系统实现对激光器温度的显示。本发明在不增加额外设备的基础上，提高激光器的温度控制精度，可用于高精度激光器温度的控制。

Description

一种基于PD的激光器温度控制系统

技术领域

本发明涉及一种基于PD(Photodiode光电二极管)的激光器温度控制系统，适用于内部集成有光电二极管的半导体激光器的高精度温度控制。

背景技术

半导体激光器在国防、科研、通信、加工等领域有着广泛飞应用，特别是在科研与通信领域，半导体激光器输出频率与功率的稳定性直接影响系统性能。半导体激光器输出频率与光功对温度有较强的依赖性，因此应对半导体激光器温度进行高精度控制。

半导体激光器温度控制系统一般采用热敏电阻、热电偶、热电阻、集成温度传感器作为温度传感器，采用PID算法或更为复杂的控制算法对温度进行控制，以半导体制冷芯片作为执行器，通过改变流过半导体制冷芯片的电流的大小与方向，实现对激光器温度的控制。但目前的温度控制系统中，温度传感器测量的均是与激光器发光芯片相接触的热沉的温度，由于热量在传导的过程中所出现的损耗，使温度传感器检测到的温度与激光器实际温度有一定的偏差，难以实现温度控制精度的进一步提高。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有激光器温度控制系统的不足，提供一种高精度的激光器温度控制，且稳定可靠。

本发明的技术解决方案是：一种基于PD的激光器温度控制系统，由温度测量子系统、温度控制子系统、温度控制执行器子系统、温度反馈子系统、温度显示子系统组成，其中温度测量子系统通过两个参数相同的NTC测量与激光器发光芯片接触的热沉的温度，当NTC输出相同时表明系统达到热平衡，由此间接获得激光器的温度，将其转换为电信号并与设定值进行比较，输入至温度控制子系统；温度控制子系统采用智能控制算法对激光器温度进行控制，将调节后的信号输入至温度控制执行器子系统；温度控制执行器子系统将温度控制信号进行功率放大，驱动执行器TEC(Semiconductor Cooler半导体制冷芯片)工作，对激光器热沉进行加热或制冷；温度反馈子系统将集成于激光器内部的PD输出的电流信号转换为电压信号，反馈回输入端，以实现对激光器温度的反馈控制；温度显示子系统实现对激光器设定温度与实时温度的显示。其中温度测量子系统通过两个参数完全相同NTC测量与激光器发光芯片相接触的热沉的温度，当两个NTC阻值相同时，可视为系统温度已分布均匀，此时NTC测量所得温度最接近激光器发光芯片的温度，通过恒流源电路将NTC电阻值转换为电压信号，输入至温度控制子系统；温度控制子系统采用智能控制算法对激光器温度进行控制，通过观测器估计环境温度变化对系统的影响，采用DSP构成数字PID，实现对激光器温度长期稳定、高精度的控制；温度执行器子系统以半导体制冷芯片为执行器，将温度控制子系统输出的信号进行放大，通过改变流过半导体制冷芯片电流的大小与方向，从而实现对与激光器相接触的热沉的加热或制冷，从而可对激光器的温度进行控制；温度反馈子系统通过集成于激光器内部的PD实现对激光器温度控制的反馈，将随激光器温度而变化的PD的电流信号，转换为电压信号，反馈回温度控制子系统；温度显示子系统用于对激光器温度进行显示。

本发明的原理是：由于激光器输出光功率P与外微分量子效率η_d、阈值电流I_th存在以下函数关系：

$P={\mathrm{\η}}_d\frac{\mathrm{h\υ}}{e}(I-I_{\mathrm{th}})$

其中，h为普朗克常数，υ为频率，e为单位电荷量，I为注入电流；为常数，外微分量子效率随温度升高而降低，阈值电流随温度升高而升高，因此激光器功率随温度升高而下降，即功率与温度T存在以下关系：

P∝1/T

因此集成于激光器内部的光电二极管输出电流与功率的正比关系，可得出激光器温度与光电二极管输出电流具有反比关系。当激光器温度产生变化时，激光器输出的光功率将随之产生变化，从而使集成于激光器内部的光电二极管的输出电流变化，同时，与激光器温度的变化将传导至与激光器相接触的热沉，使与热沉温度变化，当温度变化达到平衡状态时，两个参数相同的NTC(Negative Temperature Coefficient负温度系数热敏电阻)阻值相同，此时温度最接近激光器实际温度，将光电二极管输出的光电流信号与NTC阻值的变化转换为电压信号，通过智能控制算法与功率放大后，驱动半导体制冷芯片TEC工作，从而实现对激光器温度的控制。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明利用集成于激光器内部的光电二极管，通过激光器输出光功率获得激光器温度的变化，通过PD对激光器温度进行反馈控制，可提高激光器温度控制的精度。

(2)本发明通过两个参数相同的NTC对与激光器接触的热沉的温度进行测量，在系统达到热平衡时对激光器温度进行测量，从而使测量到的温度最接近激光器发光芯片的温度。

(3)本发明综合通过PD获得的温度与通过NTC测得的温度值对激光器温度，通过智能控制算法进行控制，可有效提高激光器温度控制精度。

总之，本发明的这种控制系统利用PD反馈对激光器温度进行控制，可提高温度控制精度，且稳定可靠。

附图说明

图1为本发明的结构组成框图；

图2为本发明的NTC与PD信号转换原理图；

图3为本发明的温度控制子系统组成原理图；

图4为本发明的AD转换电路图；

图5为本发明的DA转换电路图；

图6为本发明的NTC与AD592放置方式示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括温度测量子系统1、温度控制子系统2、温度控制执行器子系统3、温度反馈子系统4、温度显示子系统5，其中温度测量子系统1通过两个参数相同的NTC测量与激光器发光芯片接触的热沉的温度，当NTC输出相同时表明系统达到热平衡，由此间接获得激光器的温度，将其转换为电信号并与设定温度进行比较，输入至温度控制子系统2；温度控制子系统2采用智能控制算法对激光器温度进行控制，将调节后的信号输入至温度控制执行器子系统3；温度控制执行器子系统3将温度控制信号进行功率放大，驱动执行器TEC工作，对激光器热沉进行加热或制冷；温度反馈子系统4将集成于激光器内部的PD输出的电流信号转换为电压信号，反馈回输入端，以实现对激光器温度的反馈控制；温度显示子系统5实现对激光器实时温度的显示。

如图2所示，本发明的温度控制子系统2综合温度测量子系统1通过NTC测量的激光器热沉温度与温度反馈子系统4中通过集成于激光器内部的PD所获得的温度变化，将温度测量子系统1与温度反馈子系统4中NTC与PD输出转换为电压信号。其中，由于NTC随温度的升高阻值减小，应将NTC阻值的变化通过恒流源电路转换为电压信号，将电压信号通过以进行随后的温度控制；随温度的变化PD输出的电流值发生变化，且该电流较小，因此通过I-V转换电路将其放大并转换为电压信号。

如图3所示，本发明的温度控制子系统2包括AD转换电路6、DSP芯片7、电源电路8、时钟电路9、JTAG电路10、DA转换电路11组成。其中AD转换电路6将温度测量子系统1与温度反馈子系统4输出的激光器温度相关信号由模拟电压信号转换为数字信号，以通过DSP芯片7进行控制；DSP芯片7通过智能控制算法对激光器温度进行控制，通过观测器估计环境温度变化对系统的影响，并结合PID算法，可实现对激光器温度长期稳定、高精度的控制，DSP选用TI公司的TMS320F28335PGFA；电源电路8选用TI公司的芯片TPS767D301为DSP芯片7提供3.3V与1.9V的IO与内核电压；时钟电路9为DSP芯片7提供30M的晶振时钟；JTAG电路10实现对程序的在线调试与下载；DA转换电路将控制信号由数字转换为模拟信号，输入至温度控制执行器子系统3。

如图4所示，为本发明的AD转换电路图，本发明的温度测量子系统1与温度反馈子系统4输出的激光器温度相关信号为模拟电压信号，应通过温度控制子系统2中的AD转换电路6将其转换为数字信号输入至温度控制子系统2进行控制。AD转换芯片选用AD公司的十六位AD转换芯片AD7654，且根据NTC与PD转换输出的电压信号，以1.2V作为AD的参考电压进行转换，符合温控系统对采样分辨率的要求，参考电压芯片选用AD公司的AD280。选用AD公司的AD8541以提高参考电压芯片驱动能力，选用AD公司的AD8021构成电压跟随器进行隔离作用，以实现更优的效果。

如图5所示，为本发明的DA转换电路图，本发明的温度控制子系统2输出为数字信号，通过DA转换电路11将其转换为模拟信号输入至温控执行器子系统，DA芯片选用AD公司的十六位DA芯片DAC8544，以实现对温度的高精度控制。

如图6所示为温度测量子系统1中的NTC与温度显示子系统5中集成温度传感器AD592放置方式，其中LD为激光器的激光二极管引脚，PD为激光器的光电二极管引脚，G为激光器的地，本发明采用2个热敏电阻与一个集成温度传感器AD592对激光器热沉温度进行测量，其中NTC1与NTC2用于进行温度控制，AD592的输出信号用于进行温度显示，TEC1与TEC2用于对激光器进行制冷或加热。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种基于PD的激光器温度控制系统，其特征在于：主要包括温度测量子系统(1)、温度控制子系统(2)、温度控制执行器子系统(3)、温度反馈子系统(4)、温度显示子系统(5)，其中温度测量子系统(1)通过两个参数相同的NTC测量与激光器发光芯片接触的热沉的温度，当NTC输出相同时表明系统达到热平衡，由此间接获得激光器的温度，将其转换为电信号并与设定温度进行比较，输入至温度控制子系统(2)；温度控制子系统(2)采用智能控制算法对激光器温度进行控制，将进行控制后的信号输入至温度控制执行器子系统(3)；温度控制执行器子系统(3)将温度控制信号进行功率放大，驱动执行器TEC工作，对激光器热沉进行加热或制冷；温度反馈子系统(4)将集成于激光器内部的PD输出的电流信号转换为电压信号，反馈回输入端，以实现对激光器温度的反馈控制；温度显示子系统(5)与激光器相连,通过集成温度传感器测量与激光器发光芯片接触的热沉温度实现对激光器实时温度的显示。

2.根据权利要求1所述的一种基于PD的激光器温度控制系统，其特征在于：所述的温度反馈子系统(4)通过激光器温度与光功率的关系对激光器温度进行反馈控制，激光器输出光功率P与外微分量子效率η_d、阈值电流I_th存在以下函数关系：

$P={\mathrm{\η}}_d\frac{\mathrm{h\υ}}{e}(I-I_{\mathrm{th}})$

其中，h为普朗克常数，υ为频率，e为单位电荷量，I为注入电流；为常数，外微分量子效率随温度升高而降低，阈值电流随温度升高而升高，因此激光器功率随温度升高而下降，即功率与温度T存在以下关系：

P∝1/T

因此，所述的温度反馈子系统(4)通过集成于激光器内部的光电二极管输出电流与功率的正比关系，可得出激光器温度与光电二极管输出电流具有反比关系，从而引入电流反馈对激光器温度进行控制。