CN106785876A - 一种基于半导体制冷片的激光器稳频装置 - Google Patents

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刘锋
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Abstract

本发明提供了一种基于半导体制冷片的激光器稳频装置，所述激光器稳频装置包括由上至下依次设置的基片、半导体制冷片、散热片和风扇，其中，所述基片上开有光纤光栅槽，用于容纳所述激光器腔外光纤光栅；所述光纤光栅槽两侧分别设置第一负温度系数热敏电阻和第二负温度系数热敏电阻；所述激光器稳频装置还包括温度控制器，所述第一负温度系数热敏电阻、第二负温度系数热敏电阻以及所述半导体制冷片接入所述温度控制器。本发明提供的基于半导体制冷片的激光器稳频装置实现了对激光器外置光纤光栅的温度控制，提高了光源的调制频率和精度。

Description

一种基于半导体制冷片的激光器稳频装置
专利的交叉引用
本申请要求2016年11月02日提交的，申请号CN2016109446017的中国发明专利申请的优选权。
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感技术领域，特别涉及一种基于半导体制冷片的激光器稳频装置
背景技术
半导体激光器具体体积下、重量轻、输入电压小、寿命长、转换效率高、功耗低、结构简单、价格低廉、使用安全、易于调制等优点，在现代光纤通信系统中广泛应用。温度对半导体激光器的特性影响很大，为了使半导体激光器的激光波长和输出功率稳定，使用寿命延长，在现有的半导体激光器中均对温度进行了控制。由于LD有源材料的禁带宽度随温度升高变窄，是波长向长波长方向移动，移动量与器件的结构与有源去材料有关，约为0.2-0.3nm/℃，在电流恒定的情况下，温度没升高1℃6，激光波长将增加大约0.2-0.3nm。因此，在现有技术中，对激光器温度控制下适合的温度下，使温度起伏小于0.2℃，促使半导体激光器输出稳定的波长。
然而，现有的技术中均采用的是将温度控制系统嵌入到激光器内部，对激光器内部的负温度系数热敏电阻进行温度检测，并通过对激光器内部的半导体制冷片进行电流调节来控制温度。但是对于半导体激光器外置的光纤光栅收到环境温度的影响后任然存在对光源稳定性的影响。
因此，需要一种能够有效对半导体激光器外置光纤光栅进行温度控制，提高光源调制频率和精度的基于半导体制冷片的激光器稳频装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于半导体制冷片的激光器稳频装置，所述激光器稳频装置包括由上至下依次设置的基片、半导体制冷片、散热片和风扇，其中，所述基片上开有光纤光栅槽，用于容纳所述激光器腔外光纤光栅；所述光纤光栅槽两侧分别设置第一负温度系数热敏电阻和第二负温度系数热敏电阻；
所述激光器稳频装置还包括温度控制器，所述第一负温度系数热敏电阻、第二负温度系数热敏电阻以及所述半导体制冷片接入所述温度控制器。
优选地，所述温度控制器包括数据采集模块、控制模块以及外围接口，其中
所述数据采集模块，用于实时监测所述第一负温度系数热敏电阻和所述第二负温度系数热敏电阻的数据，并对监测到数据进行采集；
所述控制模块，用于计算采集到的所述数据，并输出计算结果对所述半导体制冷片驱动控制。
优选地，所述控制模块包括单片机和驱动电路，其中，
所述单片机对采集的数据计算，得到输出控制量；所述驱动电路根据所述输出控制量产生驱动电流，控制所述半导体制冷片的温度。
优选地，所述单片机通过PID控制算法计算，得到所述输出控制量。
优选地，所述第一负温度系数热敏电阻、第二负温度系数热敏电阻与运算放大器形成H桥差分放大电路。
优选地，设置于所述基片下侧的散热片呈垂直阵列，所述半导体制冷片设置于所述基片与所述散热片之间。
优选地，所述激光器稳频装置还包括上盖，所述上盖与所述基片之间通过合页连接。
优选地，所述外围接口包括电源接口、LCD液晶屏接口和薄膜按键接口。
本发明提供的一种基于半导体制冷片的激光器稳频装置，保证了激光器外置光纤光栅处于恒温的工作环境，并通过预置工作温度完成对光纤光栅中心波长的设定与选频，保证了激光器光路外置光纤光栅的稳定性，实现了对激光器外置光纤光栅的温度控制，提高了光源的调制频率和精度。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出了示出了本发明基于半导体制冷片的激光器稳频装置的结构图；
图2示出了本发明基于半导体制冷片的激光器稳频装置结构上盖展开图；
图3示出了本发明基于半导体制冷片的激光器稳频装置的温度控制器电路图；
图4示出了本发明基于半导体制冷片的激光器稳频装置温度响应时间的曲线示意图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
下面通过具体的实施例对本发明的的内涵进行详细的阐释，为了更加清楚的说明本发明基于半导体制冷片的激光器稳频装置的思想，首先对激光器外置的光纤光栅随温度变化对激光波长的影响进行说明，应当理解的是，下文的实施例中，提及到的激光器、半导体制冷片(TEC)或者热敏电阻均为本领域根据适用环境所能确定的。激光器产生激光在激光器外置的光纤光栅中传播，其中心波长会受到环境温度的影响产生漂移，例如在一些环境中，温度每升高1℃，激光波长将增加大约0.3nm，影响到激光的稳定性。
如图1所示明基于半导体制冷片的激光器稳频装置的结构图；本发明提供的一种基于半导体制冷片的激光器稳频装置包括由上至下依次设置的基片102、半导体制冷片(TEC)103、散热片104和风扇105，激光器稳频装置还包括与基片102连接上盖101，盖合后所述上盖101盖于所述基片102上。设置于基片102下侧的散热片104呈垂直阵列，半导体制冷片103设置于所述基片102与散热片104之间。通过垂直阵列的散热片104以及设于散热片下方的风扇105，能够有效对半导体制冷片TEC103和基片102周围的温度进行扩散。
如图2所示本发明基于半导体制冷片的激光器稳频装置结构上盖展开图，基片102上开有光纤光栅槽201，用于容纳激光器外置的光纤光栅，进一步说，所述的光纤光栅槽201用于容纳搭建的激光器光路中露于激光器外的光纤光栅，从而使本发明激光器稳频装置对激光器外置光纤光栅进行温度控制。在光纤光栅槽201两侧分别设置第一负温度系数热敏电阻202和第二负温度系数热敏电阻203，采集置于光纤光栅槽201中光纤光栅的温度数据。优选地，本实施例中，上盖101与基片102之间通过合页204连接，当激光器的外置光纤光栅容纳于光纤光栅槽201中时，将所述上盖101盖合于所述的基片102上。
本发明基于半导体制冷片(TEC)激光器稳频装置还包括温度控制器，温度控制器用于控制容纳于光纤光栅槽201内的光纤光栅的温度。具体地，将设于基片102上的第一负温度系数热敏电阻202和第二负温度系数热敏电阻203，以及所半导体制冷片(TEC)103接入到所述温度控制器。通过温度控制器控制基片102光纤光栅槽201内光纤光栅的温度，具体地，对于温度控制过程在下文中详细阐释，下面对温度控制器给出进一步的说明。
如图3所示本发明基于半导体制冷片的激光器稳频装置的温度控制器电路图，本发明所述温度控制器包括数据采集模块、控制模块以及外围接口，其中
数据采集模块，用于实时监测所述第一负温度系数热敏电阻202和第二负温度系数热敏电阻202的数据，并对监测到数据进行采集；
控制模块，用于计算采集到的所述数据，并输出计算结果对所述半导体制冷片TEC驱动控制。
外围接口包括电源接口、LCD液晶屏接口和薄膜按键接口，LCD液晶屏接口连接用于显示设定温度和实际温度的LCD液晶显示屏，薄膜按键接口连接用于输入设定温度的薄膜按键。
进一步的说明，数据采集模块通过设置于基片102上的第一负温度系数热敏电阻202、第二负温度系数热敏电阻202与运算放大器303形成H桥差分放大电路302，实时监测到第一负温度系数热敏电阻202、第二负温度系数热敏电阻202的温度变化引起的电压变化，当所述温度变化时，H桥差分放大电路302采集上述电压变化数据，传递给单片机304进行计算。应当理解，这里所说的第一负温度系数热敏电阻202、第二负温度系数热敏电阻203均为本领域技术人员根据具体的实际情况进行选择的负温度系数热敏电阻，例如本实施例中，选用MF51系列负温度系数热敏电阻，在一些实施例中，可以是其他的系列的负温度系数热敏电阻，例如：MF52系列、MF54系列、MF55系列、MF61系、MF91～MF96系列、MF111系列。同样地，对于单片机的选用应当为本领域技术人员根据实际需要进行选择。
控制模块包括单片机304和驱动电路301，其中单片机304对采集的数据计算，得到输出控制量；驱动电路301根据输出控制量产生驱动电流，控制所述半导体制冷片TEC103的温度。进一步的说明，H桥差分放大电路302将采集的电压数据传递至单片机304进行计算，优选地，单片机304通过PID控制算法计算，得到输出控制量。驱动电路301根据输出控制量产生驱动电流控制半导体制冷片TEC103的温度，进而对基片上光纤光栅槽内的激光器外置光纤光栅进行温度控制，进而对激光器光源进行稳频，提高光源的调制频率和精度。
下面对本发明半导体制冷片(TEC)激光器稳频装置的温度控制过程做出说明。使用过程中，打开基片102上的上盖101，将激光器的外置光纤光栅，置于基片102上的光纤光栅槽201内，盖合上盖101。在温度控制器的薄膜按键上输入设定的激光器外置光纤光栅的工作温度，激光器发射激光，当检测到半导体制冷片(TEC)激光器稳频装置基片上的第一负温度系数热敏电阻202、第二负温度系数热敏电阻202的温度变化引起的电压变化时，H桥差分放大电路302采集电压数据，并将电压数据送至单片机304计算，单片机304根据设定的光纤光栅工作温度，以及采集到的电压数据通过PID控制算法计算，得到输出控制量。驱动电路301根据上述的输出控制量产生驱动电流，控制半导体制冷片TEC103的温度，进而对基片上光纤光栅槽内的激光器外置光纤光栅进行温度控制，从而实现对激光器光源进行稳频，提高光源的调制频率和精度。如图4所示本发明基于半导体制冷片的激光器稳频装置温度响应时间的曲线示意图。
本发明提供的一种基于半导体制冷片的激光器稳频装置，保证了激光器外置光纤光栅处于恒温的工作环境，并通过预置工作温度完成对光纤光栅中心波长的设定与选频，保证了激光器光路外置光纤光栅的稳定性，实现了对激光器外置光纤光栅的温度控制，提高了光源的调制频率和精度。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (8)

1.一种基于半导体制冷片的激光器稳频装置，其特征在于，所述激光器稳频装置包括由上至下依次设置的基片、半导体制冷片、散热片和风扇，其中，所述基片上开有光纤光栅槽，用于容纳所述激光器腔外光纤光栅；所述光纤光栅槽两侧分别设置第一负温度系数热敏电阻和第二负温度系数热敏电阻；
所述激光器稳频装置还包括温度控制器，所述第一负温度系数热敏电阻、第二负温度系数热敏电阻以及所述半导体制冷片接入所述温度控制器。
2.根据权利要求1所述的激光器稳频装置，其特征在于，所述温度控制器包括数据采集模块、控制模块以及外围接口，其中
所述数据采集模块，用于实时监测所述第一负温度系数热敏电阻和所述第二负温度系数热敏电阻的数据，并对监测到数据进行采集；
所述控制模块，用于计算采集到的所述数据，并输出计算结果对所述半导体制冷片驱动控制。
3.根据权利要求2所述的激光器稳频装置，其特征在于，所述控制模块包括单片机和驱动电路，其中，
所述单片机对采集的数据计算，得到输出控制量；所述驱动电路根据所述输出控制量产生驱动电流，控制所述半导体制冷片的温度。
4.根据权利要求3所述的激光器稳频装置，其特征在于，所述单片机通过PID控制算法计算，得到所述输出控制量。
5.根据权利要求1或2所述的激光器稳频装置，其特征在于，所述第一负温度系数热敏电阻、第二负温度系数热敏电阻与运算放大器形成H桥差分放大电路。
6.根据权利要求1所述的激光器稳频装置，其特征在于，设置于所述基片下侧的散热片呈垂直阵列，所述半导体制冷片设置于所述基片与所述散热片之间。
7.根据权利要求1所述的激光器稳频装置，其特征在于，所述激光器稳频装置还包括上盖，所述上盖与所述基片之间通过合页连接。
8.根据权利要求2所述的激光器稳频装置，其特征在于，所述外围接口包括电源接口、LCD液晶屏接口和薄膜按键接口。
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