CN107632654A - 一种非气密封装激光器工作环境湿度及温度自动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种非气密封装激光器工作环境温度及湿度自动控制系统，应用于光电器件领域，通过置于激光器旁用于感知激光器工作温度的热敏电阻获取激光器当前的工作温度，当激光器温度低于某一设定值，启动线圈加热驱动器加热使激光器温度上升，当激光器温度超过某一定设定值，关断线圈加热驱动器控制温度波动，使得激光器的工作温度范围较原产品得以扩大，可以将同类激光器工作温度范围从0～85℃扩展到‑40～85℃；通过湿度传感器获取激光器的工作湿度，工作湿度太大时控制加热线圈工作，工作湿度回归正常范围则关闭加热线圈；从而控制激光器工作在正常湿度范围，保证激光器工作可靠信和寿命。

Description

一种非气密封装激光器工作环境湿度及温度自动控制系统

技术领域

本发明属于光通信光互联用光电器件领域，特别涉及一种基于内嵌PCB线圈加热扩展激光器低温范围应用的技术。

背景技术

随着半导体技术的不断发展，半导体激光泵浦的固体激光器由于兼有了激光二极管和固体激光器的双重优点,近年来得到迅速发展，并在军事、通讯、加工和科研等领域中得到广泛的应用。在远距离通讯，激光雷达，数字信号的存储和恢复，激光测距，机器人，全息应用，医学诊断等方面都有广泛的应用。但半导体激光器是一种高功率密度并具有极高量子效率的器件，对工作条件要求非常苛刻。在不适当的工作或存放条件下，会造成性能的急剧恶化乃至失效。

主要由温度检测模块、温度控制模块、恒流源模块、显示模块，键盘输入模块这五部分组成的半导体激光器，通常在室温条件下使用，温度波动在±1℃以内的工作，温控系统是其中的研究焦点。半导体激光器的工作原理决定了其自身工作时必然发热，而自身产生的热量严重影响着LD的输出特性，如LD输出波长随温度的漂移，进而影响仪器的精度及使用寿命，为了保证半导体激光器的正常工作，它的工作波长必须保持高度的稳定。因此就需要对LD的温度变化进行严格控制。LD是对温度敏感的器件，输出光功率随温度而变化，其阈值电流、输出波长以及输出光功率的稳定性都对温度非常敏感，其工作寿命也与其工作温度密切相关。由于温度对半导体激光器的性能有很大的影响，实验表明，在电流恒定的情况下，温度每升高1℃，激光波长将增加大约0.1nm，激光器的寿命会降低一个数量级。而且温度过高将导致激光器老化甚至损坏，因此需要将温度控制在激光器适合的工作条件下，且使温度起伏小于0.001℃。这样才能使激光器输出稳定的波长。随着光通讯速率提高，高速率DML激光器温度涨落幅度随激光加热时间的增加而增大。激光功率涨落引起的温度涨落的幅度还与材料的热学特性有关。温度涨落幅度随材料热传导率的增加而降低，随热扩散率的增加而增加。也就是说激光功率涨落带来的温度涨落与激光器的功率稳定性、激光加热时间、材料的热传导率和热扩散率及材料的初始温度等因素有关。随着温度的升高光器件的特性会发生较大变化，使得光信号的功率、波长等参数发生很大的变化，眼图质量也变得很差。目前，由于部分直接调制器激光器DML激光器正常情况下只能工作在0～85℃温度范围，工作温度范围受到0～85℃工作温度范围限制，同时，由于高密度需求封装尺寸小，当需要激光器应用在-40～85℃温度时，需要扩展激光器工作温度范围。DML高速激光器。如何扩展激光器工作温度范围尤其显得重要。

非气密COB封装是目前最受欢迎的一种激光器封装技术。但非气密封装随之带来问题，非气密导致激光器长时间处于湿度超出激光器工作范围条件下，这样会降低激光器使用可靠性及寿命。激光器工作环境严重影响着激光器的输出特性，如激光器输出波长随温度的漂移，进而影响仪器的精度及使用寿命，为了保证半导体激光器的正常工作，它的工作波长必须保持高度的稳定。因此就需要对激光器的温度和湿度变化进行严格控制。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提出了一种非气密封装激光器工作环境湿度及温度自动控制系统，基于激光器载体内加热线圈加热自动控制激光器环境温度从而控制激光器工作环境湿度，并且可以减小封装尺寸和寄生参数，提高激光器高速性能。

本发明采用的技术方案是：一种非气密封装激光器工作环境温度自动控制系统，包括：置于激光器旁用于感知激光器工作温度的热敏电阻和感知激光器环境湿度的湿度传感器，以及内嵌于激光器载体，且位于激光器和热敏电阻下方的加热线圈，还包括：采样电阻、第一模数转换器、微控制单元、线圈加热驱动器；所述热敏电阻第一端接参考电压，热敏电阻第二端接采样电阻第一端，所述采样电阻第二端接地；热敏电阻第二端经第一模数转换器还与微控制单元相连，所述微控制单元通过线圈加热驱动器控制加热线圈工作。

进一步地，所述微控制单元根据热敏电阻的电压计算得到激光器的工作温度。

更进一步地，所述微控制单元还包括设定激光器工作温度的第一阈值以及第二阈值，当检测到的当前激光器工作温度小于第一阈值时，则微处理单元启动线圈加热驱动器使加热线圈工作；当检测到的当前激光器工作温度大于或等于第二阈值，则微处理单元关断线圈加热驱动器。

进一步地，所述激光器载体为印制电路板。

更进一步地，采用板贴封装COB工艺将激光器封装在印制电路板上。

本发明还提供一种非气密封装激光器工作环境湿度自动控制系统，其特征在于，包括：置于激光器旁用于感知激光器工作湿度的湿度传感器，以及内嵌于激光器载体，且位于激光器和湿度传感器下方的加热线圈，还包括：第二模数转换器、微控制单元、线圈加热驱动器；所述湿度传感器经第二模数转换器与微控制单元相连，所述微控制单元通过线圈加热驱动器控制加热线圈工作。

进一步地，所述微控制单元还包括设定激光器工作湿度的第三阈值，当检测到的当前激光器工作湿度大于第三阈值时，则微处理单元启动线圈加热驱动器使加热线圈工作；当检测到的当前激光器工作温度小于第三阈值，则微处理单元关断线圈加热驱动器。

进一步地，所述激光器载体为印制电路板。

更进一步地，采用板贴封装COB工艺将激光器封装在印制电路板上。

本发明的有益效果：本发明提供的温度自动控制系统通过设置于激光器旁的热敏电阻感知当前激光器的工作温度，并反馈给微控制单元；当MCU判断当激光器温度低于第一阈值，启动线圈加热驱动器加热使激光器温度上升，当激光器温度超过第二阈值，关断线圈加热驱动器控制温度波动，工作温度范围较原产品得以扩大，可以将同类激光器工作温度范围从0～85℃扩展到-40～85℃。如此控制激光器工作温度始终处于其正常工作温度范围，使激光器输出稳定的波长，从而达到扩展激光器工作温度范围目的；本发明提供的湿度自动控制系统通过设置于激光器旁的湿度传感器感知当前激光器的工作湿度，并反馈给微控制单元；当MCU判断当激光器湿度大于第三阈值，启动线圈加热驱动器加热使激光器工作湿度回到正常范围，当激光器湿度小于第三阈值，关断线圈加热驱动器；湿的激光器工作在正常的湿度范围，增加激光器的工作可靠性。具有以下优点：

1、提高激光器高速性能，通过热敏电阻与加热线圈，实现低温时加热，让处于低温环境的激光器温度处于其正常工作范围内；当反馈温度过高时，控制内嵌PCB内加热线圈驱动器，不使激光器温度超出其工作范围，保证激光器在全温度范围内工作在它正常工作温度范围，扩展激光器工作温度后，激光器温度工作范围更宽，从而提高了激光器高速性能；

2、控制激光器的工作湿度范围，保证激光器工作在适应的湿度环境中，保证激光器工作可靠信和寿命；

3、减小封装尺寸和寄生参数，采用板贴封装COB工艺将非气密DML激光器直接封装在印制电路板PCB上，在位于激光器下面的印制电路板PCB内嵌PCB加热线圈，可以将封装尺寸降到最小；这种通过嵌入PCB内走线线绕加热扩展激光器工作温度范围，可以减小封装尺寸和寄生参数。

附图说明

图1是本发明实施例提供的非气密封装激光器工作环境温度自动控制系统工作原理示意图；

图2是本发明实施例提供的非气密封装激光器工作环境温度自动控制系统的剖视图；

图3为本发明实施例提供的非气密封装激光器工作环境湿度自动控制系统工作原理示意图；

图4为本发明实施例提供的非气密封装激光器工作环境温度与湿度自动控制系统；

其中，1为微控制单元MCU，2为线圈加热驱动器，3为激光器，4为热敏电阻，5 为加热线圈，6为印制电路板PCB，7为湿度传感器。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，结合附图对本发明内容进一步阐释。

实施例一

如图1和图2所示，本发明的一种非气密封装激光器工作环境温度自动控制系统，包括：内嵌于激光器载体PCB，且位于激光器3下方的加热线圈5，还包括：热敏电阻4、采样电阻R1、第一模数转换器ADC1、微控制单元1、线圈加热驱动器2；所述热敏电阻 4置于激光器旁用于感知激光器工作温度，热敏电阻4第一端接参考电压，热敏电阻4第二端接采样电阻第一端，所述采样电阻人第二端接地；热敏电阻4第二端经第一模数转换器ADC1还与微控制单元1相连，所述微控制单元1通过线圈加热驱动器2控制加热线圈 5工作。

本实施例中的激光器选用非气密DML激光器；采用板贴封装COB工艺将非气密DML激光器直接封装在印制电路板PCB上，在位于激光器下面的印制电路板PCB内嵌PCB加热线圈，可以将封装尺寸降到最小；这种通过嵌入PCB内走线线绕加热扩展激光器工作温度范围，可以减小封装尺寸和寄生参数。COB工艺为现有的成熟工艺，本申请中不做详细阐述。

本申请的工作原理为：热敏电阻4安装靠近激光器3的位置，通过热敏电阻4感应激光器3的工作温度，热敏电阻感受温度阻值随激光器温度变化而变化，热敏电阻4和采样电阻R1串接在参考电压和地之间,并通过采样电阻R1分压，分压电压的变化体现热敏电阻4阻值的变化，即分压电压的变化体现激光器3工作温度变化；从而微控制单元可以根据经第一模数转换器ADC1输送过来的电压信号得出激光器当前工作温度，当判断出当前激光器的工作温度低于第一阈值时，微控制单元1启动线圈加热驱动器2，驱动嵌入PCB 内加热线圈5温度上升，当激光器温度在设定温度范围工作时，通过控制线圈加热驱动器 2，控制PCB内加热线圈5，进而控制激光器工作温度始终处于其正常工作温度范围内，实现激光器工作温度的扩展，可以将同类激光器工作温度范围从0～85℃扩展到-40～85℃；如此控制激光器工作温度始终处于其正常工作温度范围，使激光器输出稳定的波长，从而达到扩展激光器工作温度范围目的。

本实施例设置的温度阈值：第一阈值与第二阈值是和激光器工作温度相关的，比如，第一阈值取探测到温度处于激光器正常工作的低温极值；第二阈值设定为激光器正常工作低温；一般根据实际情况第一阈值可在0～5℃范围内取值，比如第一阈值取值为1℃；第二阈值可在10～15℃范围内取值，比如第二阈值取值为12℃；从而实现低温时加热，让处于低温环境的激光器温度处于其正常工作范围内；当实时反馈的温度过高时，关断线圈加热驱动器控制温度波动，保证激光器输出稳定的波长，同时扩展了激光器工作温度范围，也提高了激光器高速性能。

实施例二

如图3所示，本发明的一种非气密封装激光器工作环境湿度自动控制系统，包括：内嵌于激光器载体PCB，且位于激光器3下方的加热线圈5，还包括：湿度传感器7、第二模数转换器ADC2、微控制单元1、线圈加热驱动器2；湿度传感器7置于激光器旁用于感知激光器工作湿度，湿度传感器7经第二模数转换器ADC2与微控制单元1相连，所述微控制单元1通过线圈加热驱动器2控制加热线圈5工作。

工作原理为：湿度传感器7安装靠近激光器3的位置，通过湿度传感器7感应激光器3的工作湿度；微控制单元1根据经第二模数转换器ADC2输送过来的信号得出激光器当前工作湿度，当判断出当前激光器的工作湿度大于第三阈值时，微控制单元1启动线圈加热驱动器2，驱动嵌入PCB内加热线圈5温度上升，当微控制单元1检测到激光器工作湿度在正常范围时，关断线圈加热驱动器控制激光器工作环境湿度波动，保证激光器工作在正常工作环境湿度内，从而达到增加激光器工作可靠性目的。

本实施例设置的湿度阈值：研究发现湿度越大激光器的寿命越短，本实施例以常温(常温一般定义为25度，也称作室温)时为例，常温时根据实际的露点与相对湿度关系表设置第三阈值，一般在室温条件下激光器正常工作相对湿度应小于65％，防止激光器器件表面附着水膜，当工作相对湿度大于第三阈值，则启动加热线圈加热，使得激光器工作湿度回归到正常工作范围，当工作湿度处于正常工作湿度范围时，则关断加热线圈，提高激光器长期工作可靠性。

实施例三

如图4所示，非气密封装激光器工作环境温度与湿度自动控制系统，包括：内嵌于激光器载体PCB，且位于激光器3下方的加热线圈5，还包括：热敏电阻4、湿度传感器7、采样电阻R1、第一模数转换器ADC1、第二模数转换器ADC2、微控制单元1、线圈加热驱动器2；

热敏电阻4置于激光器旁用于感知激光器工作温度，热敏电阻4第一端接参考电压，热敏电阻4第二端接采样电阻R1第一端，所述采样电阻R1第二端接地；热敏电阻4第二端经第一模数转换器ADC1还与微控制单元1相连，所述微控制单元1通过线圈加热驱动器2控制加热线圈5工作；

湿度传感器7置于激光器旁用于感知激光器工作湿度，湿度传感器7经第二模数转换器ADC2与微控制单元1相连，所述微控制单元1通过线圈加热驱动器2控制加热线圈5 工作。

在本实施例三中；根据实际的露点与相对湿度关系表设置设置第一阈值、第二阈值以及第三阈值，如表1所示，第一阈值可在相对湿度0～5％范围内取值，比如第一阈值取值为5％；第二阈值可在55～65％范围内取值，比如第二阈值取值为60％；第三阈值取值为65％。

表1露点相对湿度关系表

相对湿度	露点	相对湿度	露点	相对湿度	露点	相对湿度	露点
								0.1％	-51.75	2.0％	-24.98	4.0％	-17.84	14.0％	-3.83
0.2％	-46.08	2.1％	-24.49	4.1％	-17.58	15.0％	-3.02
								0.3％	-42.62	2.3％	-23.57	4.2％	-17.33	16.0％	-2.25
0.4％	-40.11	2.4％	-23.14	4.3％	-17.07	17.0％	-1.15
								0.5％	-38.12	2.5％	-22.73	4.4％	-16.83	18.0％	-0.83
0.6％	-36.47	2.6％	-22.33	4.5％	-16.59	19.0％	-0.15
								0.7％	-35.06	2.7％	-21.94	4.6％	-16.35	20.0％	0.50
0.8％	-33.82	2.8％	-21.57	4.7％	-16.12	30.0％	6.24
								0.9％	-32.72	2.9％	-21.20	4.8％	-15.90	40.0％	10.48
1.0％	-31.73	3.0％	-20.85	4.9％	-15.67	50.0％	13.86
								1.1％	-30.82	3.1％	-20.51	5.0％	-15.46	60.0％	16.70
1.2％	-29.99	3.2％	-20.18	6.0％	-13.47	70.0％	19.15
								1.3％	-29.22	3.3％	-19.86	7.0％	-11.77	80.0％	21.31
1.4％	-28.50	3.4％	-19.55	8.0％	-10.28	90.0％	23.24
								1.5％	-27.82	3.5％	-19.25	9.0％	-8.95
1.6％	-27.19	3.6％	-18.95	10.0％	-7.75
								1.7％	-26.59	3.7％	-18.67	11.0％	-6.65
1.8％	-26.03	3.8％	-18.39	12.0％	-5.64
								1.9％	-25.49	3.9％	-18.11	13.0％	-4.71

本申请中的激光器载体不仅仅是PCB，还可以是任何可以作为激光器载体的任何形式载体。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种非气密封装激光器工作环境温度自动控制系统，其特征在于，包括：置于激光器旁用于感知激光器工作温度的热敏电阻，以及内嵌于激光器载体，且位于激光器和热敏电阻下方的加热线圈，还包括：采样电阻、第一模数转换器、微控制单元、线圈加热驱动器；所述热敏电阻第一端接参考电压，热敏电阻第二端接采样电阻第一端，所述采样电阻第二端接地；热敏电阻第二端经第一模数转换器还与微控制单元相连，所述微控制单元通过线圈加热驱动器控制加热线圈工作。

2.根据权利要求1所述的一种自动控制扩展激光器工作温度范围的系统，其特征在于，所述微控制单元根据热敏电阻的电压计算得到激光器的工作温度。

3.根据权利要求2所述的一种自动控制扩展激光器工作温度范围的系统，其特征在于，所述微控制单元还包括设定激光器工作温度的第一阈值以及第二阈值，当检测到的当前激光器工作温度小于第一阈值时，则微处理单元启动线圈加热驱动器使加热线圈工作；当检测到的当前激光器工作温度大于或等于第二阈值，则微处理单元关断线圈加热驱动器。

4.根据权利要求1所述的一种自动控制扩展激光器工作温度范围的系统，其特征在于，所述激光器载体为印制电路板。

5.根据权利要求4所述的一种自动控制扩展激光器工作温度范围的系统，其特征在于，采用板贴封装COB工艺将激光器封装在印制电路板上。

6.一种非气密封装激光器工作环境湿度自动控制系统，其特征在于，包括：置于激光器旁用于感知激光器工作湿度的湿度传感器，以及内嵌于激光器载体，且位于激光器和湿度传感器下方的加热线圈，还包括：第二模数转换器、微控制单元、线圈加热驱动器；所述湿度传感器经第二模数转换器与微控制单元相连，所述微控制单元通过线圈加热驱动器控制加热线圈工作。

7.根据权利要求6所述的一种非气密封装激光器工作环境湿度自动控制系统，其特征在于，所述微控制单元还包括设定激光器工作湿度的第三阈值，当检测到的当前激光器工作湿度大于第三阈值时，则微处理单元启动线圈加热驱动器使加热线圈工作；当检测到的当前激光器工作温度小于第三阈值，则微处理单元关断线圈加热驱动器。

8.根据权利要求6所述的一种非气密封装激光器工作环境湿度自动控制系统，其特征在于，所述激光器载体为印制电路板。

9.根据权利要求8所述的一种非气密封装激光器工作环境湿度自动控制系统，其特征在于，采用板贴封装COB工艺将激光器封装在印制电路板上。