CN114545996B - 半导体激光器温控电路 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种半导体激光器温控电路，包括：半导体制冷器，用于为半导体激光器降温；功率放大模块，与半导体制冷器相连，用于给半导体制冷器提供驱动电流；温控PID电路，与所述功率放大器模块相连，用于控制所述驱动电流；以及可编程的数字电位计模块，与所述温控PID电路相连，用于配置温控PID电路参数。

Description

半导体激光器温控电路

技术领域

本公开涉及光电子器件与光电系统技术领域，尤其涉及一种参数可编程的半导体激光器温控电路。

背景技术

近些年来，半导体激光器由于体积小、抗震能力强、等优点成为了光电系统的重要光源，尤其是在光纤传感和相干光通信领域。在这些系统中，往往需要对半导体激光器的波长进行较大范围调谐(±50pm)。虽然目前通用的半导体激光器发光波长同时受激光器芯片(LD)驱动电流和工作温度影响，但是驱动电流对波长的调谐效率较低(典型值0.2pm/mA)，无法满足大范围波长调谐，因此一般通过温度调谐的方式来实现激光器波长在较大范围内的调谐。然后目前的温度调谐方式往往调节精度低，而且电路结构复杂。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种半导体激光器温控电路，以缓解现有技术中温度调谐方式往往调节精度低，电路结构复杂等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种半导体激光器温控电路，包括：半导体制冷器，用于为半导体激光器降温；功率放大模块，与半导体制冷器相连，用于给半导体制冷器提供驱动电流；温控PID电路，与功率放大模块相连，用于控制驱动电流；以及可编程的数字电位计模块，与温控PID电路相连，用于配置温控PID电路参数。

根据本公开实施例，功率放大模块包括：

第一功率放大器U4，其同相输入端与基准电压单元相连，异相输入端连接至电阻R9后再与输出端一起连接至半导体制冷器的一端；以及

第二功率放大器U3，其异相输入端连接至输出端后连接至半导体制冷器的另一端，同时异相输入端连接一电阻R8后再连接至所述第一功率放大器U4的异相输入端。

根据本公开实施例，温控PID电路包括：

第一运算放大器U1，其同相输入端连接电阻R1后再连接至基准电压单元，同相输入端还连接一可调电阻RT后接地，异相输入端连接一电阻R2后接地，同时连接一电阻R3后再连接至输出端；

第一数字电位计模块，与第一运算放大器U1的输出端相连，包括并联设置的第四电阻R4、第一电容C1、第一电位计RX1；

第二运算放大器U2，异相输入端与第一数字电位计模块相连，同相输入端连接电阻R5后连接至控温工作点设置单元，同时同相输入端连接第三电容C3后接地；以及

第二数字电位计模块，与第二运算放大器U2的异相输入端相连，包括与第二运算放大器U2的异相输入端相连的第二电容C2、并联设置的第六电阻R6和第二电位计RX2，第六电阻R6和第二电位计RX2共同连接至第二运算放大器的输出端。

根据本公开实施例，基准电压单元的输出端连接至第一功率放大器U4的同相输入端，第六电阻R6和第二电位计RX2共同连接至第二运算放大器U2的输出端后再连接至第二功率放大器U3的同相输入端。

根据本公开实施例，可编程的数字电位计模块，用于通过程序配置第一电位计RX1和第二电位计RX2的电阻来获得温控PID电路参数。

根据本公开实施例，开机冷启动时，温控PID电路参数以数字电位计预设值为标准，该预设值使得激光器温控参数中的比例系数较小、积分系数较大，在该设置下，驱动电流平缓上升。

根据本公开实施例，冷启动后，通过配置数字电位计的抽头系数来改变温控PID电路参数，将比例系数调大、积分系数调小。

根据本公开实施例，配置数字电位计的抽头系数的信号来自于半导体激光器系统中的单片机。

根据本公开实施例，配置数字电位计的抽头系数的信号来自于电路板级集成上的FPGA或DSP。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开半导体激光器温控电路至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)电路结构简洁高效，便于PCB板级集成；

(2)包含两个可编程的数字电位计，可通过软件编程的方式来控制温控PID电路的参数；在实际系统应用中很好的避免了开机电流过充和系统温控调谐对PID参数要求的冲突；该电路结构可靠，效果明显；

(3)控温精度高(<0.001℃)，能满足现有的光纤水听系统对光源的高精度长稳态要求；

(4)能够大幅度简化放大单元的加工制作，提高成品率，降低加工成本；

附图说明

图1为本公开实施例的半导体激光器温控电路的示意图。

具体实施方式

本公开提供了一种半导体激光器温控电路，温度调谐是通过给半导体制冷器(TEC)快速供给电流来实现的。控温比例-积分-微分电路的参数决定了温控电路的反应幅度和反应速度。一方面，在激光器模块长时间第一次开机(冷启动)的时候，如果控温电路反应过快，会造成工作电流过充，这种情况会对系统电源造成可能的问题(如超过总负载能力导致系统不能正常启动)，因此要求降低控温电路反应速度；另一方面，在系统工作时，需要较快的实现温度调谐，此时又需要加快控温电路的反应速度。为同时解决上述问题，本公开提出了一种参数可编程的半导体激光器温控电路设计。在上电或者复位之后，中央控制器可根据程序配置温控电路中的数字电位计，从而配置半导体激光器温控电路参数。该项措施既可避免开机时的电流过充，也满足工作时快速温度调谐的需要。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种半导体激光器温控电路，如图1所示，所述半导体激光器温控电路，包括：

半导体制冷器，用于为半导体激光器降温；

功率放大模块，与半导体制冷器相连，用于给半导体制冷器提供驱动电流；

温控PID电路，与所述功率放大模块相连，用于控制所述驱动电流；以及

可编程的数字电位计模块，与所述温控PID电路相连，用于配置温控PID电路参数。

根据本公开实施例，如图1所示，所述功率放大模块包括：第一功率放大器U4，其同相输入端(+)与基准电压单元相连，异相输入端(-)连接至电阻R9后再与输出端一起连接至半导体制冷器(TEC)的一端；以及

第二功率放大器U3，异相输入端(-)连接至U3的输出端后连接至半导体制冷器的另一端，同时异相输入端(-)连接一电阻R8后再连接至所述第一功率放大器的异相输入端(-)。

根据本公开实施例，如图1所示，所述温控PID电路包括：

第一运算放大器U1，其同相输入端(+)连接电阻R1后再连接至基准电压单元，同相输入端还连接一可调电阻RT后接地，异相输入端(-)连接一电阻R2后接地，同时连接一电阻R3后再连接至输出端；

第一数字电位计模块，与第一运算放大器U1的输出端相连，包括并联设置的第四电阻R4、第一电容C1、第一电位计RX1；

第二运算放大器U2，异相输入端(-)与第一数字电位计模块相连，同相输入端(+)连接电阻R5后连接至控温工作点设置单元，同时同相输入端连接第三电容C3后接地；以及

第二数字电位计模块，与第二运算放大器的异相输入端相连，包括与第二运算放大器U2的异相输入端相连的第二电容C2、并联设置的第六电阻R6和第二电位计RX2，第六电阻R6和第二电位计RX2共同连接至第二运算放大器的输出端后，再连接第七电阻R7后连接至第二功率放大器U3的同相输入端(+)。

根据本公开实施例，如图1所示，本公开提出的参数可编程的半导体激光器温控电路总体框图是基于以往的运放芯片和功放芯片结合的PID温控电路改进而来。其中，U3、U4为功率放大芯片(例如OPA569、OPA567)，主要负责给半导体制冷器(TEC)提供驱动电流，U1、U2为运放，主要与电阻电容构成模拟PID电路。RX1、RX2为数字电位计，受激光器模块中央芯片编程控制，是改变PID电路参数的核心芯片。

对温控PID电路参数与电阻电容值的关系推导如下：

为了方便计算，以下将RX1//R4、RX2//R6视为一个整体电阻。

设通过C1、C2、RX1//R4的瞬时电流分别为i1、i2、iX1(默认电流方向为从左向右)；由于运放的虚短特性，节点us的电压等于设置的工作电压，不会影响计算的PID参数结果，在此处可将其视为0(即接地)；

根据节点电压方程可得到下列方程：

-ui＝∫(C1·i1)dt； (1.1)

∫(C1·i1)dt＝(RX1//R4)·iX1； (1.2)

uo＝∫(C2·i2)dt+(RX2//R6)·i2； (1.3)

i2＝iX1+i1； (1.4)

联立上述四个方程，消掉电流参量后，可得到：

可分别得到比例系数为：

积分系数为：

微分系数为：(RX2//R6)·C1。

综上所述，可以通过配置可编程电位计RX1和RX2的电阻来得到目标温控参数。每一次更新温控参数的具体取值过程如下：

第一步：根据目标比例系数，推出

值；

第二步：综合积分系数和微分系数，适当选取(RX1//R4)、(RX2//R6)的值。注：一般情况下的微分系数很小，可以通过预先配置C1电容值来控制。该取值过程主要考虑积分系数。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开半导体激光器温控电路有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种半导体激光器温控电路，其主要包括有运放组成的PID电路和可编程数字电位计与控制器组成的温控系数调节电路。本公开主要用于半导体激光器驱动模块。进一步地，本公开主要应用于相干光通信系统和光纤陀螺等领域的光锁相环/电锁相环部分。在这些应用中，需要对本振激光器进行快速波长调谐，而且需要的调谐范围比较大，达到100pm量级。由于半导体激光器的工作特性，电流调谐无法满足要求，所以均采用的是温度调谐的方法。进一步地，为满足激光器波长快速调谐，需要将半导体激光器温度控制系数中的比例系数调大、积分系数调小。但是，该项设置会增加半导体激光器模块对温度扰动或者温度突变时的过充反应。比较典型的现象是，对半导体激光器模块进行冷启动(即长时间不工作后的第一次启动)，会出现工作电流过充的现象(实际情况中过充电流能达到平时稳定工作的四倍)。该情况不仅对系统电源设计指标要求高，也会降低控温芯片和半导体制冷器(TEC)的可靠性。本发明提出的参数可编程的半导体激光器温控电路设计，可以通过编程来实时调节激光器温控参数，以最优化实际应用中，激光器温控参数与系统控制的匹配。在空间相干光通信应用中，本公开提供的方法可以分以下几步来实施。第一步，开机冷启动，温控参数以数字电位计预设值为标准，该预设值使得激光器温控参数中的比例系数较小、积分系数较大，整个积分时间大概在5S左右。在该设置下，激光器模块启动电流平缓上升致预设稳定值。第二步，中央控制器(一般为激光器模块内部的单片机)配置系统初始化，整个模块进入工作状态准备完毕后，由中央控制器配置数字电位计的抽头系数来改变激光器温控调谐的系数，将比例系数调大、积分系数调小。后续即可进行相干光通信解调过程中的本振与信号光的跟踪(即通过改变本振激光器的工作温度来改变其发光波长，以跟踪信号光激光器的波长)。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种半导体激光器温控电路，包括：

半导体制冷器，用于为半导体激光器降温；

功率放大模块，与半导体制冷器相连，用于给半导体制冷器提供驱动电流；

温控PID电路，与所述功率放大模块相连，用于控制所述驱动电流，包括：

第一运算放大器U1，其同相输入端连接电阻R1后再连接至基准电压单元，同相输入端还连接一可调电阻RT后接地，异相输入端连接一电阻R2后接地，同时连接一电阻R3后再连接至输出端；

第一数字电位计模块，与第一运算放大器U1的输出端相连，包括并联设置的第四电阻R4、第一电容C1、第一电位计RX1；

第二运算放大器U2，异相输入端与第一数字电位计模块相连，同相输入端连接电阻R5后连接至控温工作点设置单元，同时同相输入端连接第三电容C3后接地；以及

第二数字电位计模块，与第二运算放大器U2的异相输入端相连，包括与所述第二运算放大器U2的异相输入端相连的第二电容C2、并联设置的第六电阻R6和第二电位计RX2，第六电阻R6和第二电位计RX2共同连接至第二运算放大器的输出端U2；以及

可编程的数字电位计模块，与所述温控PID电路相连，用于通过程序配置第一电位计RX1和第二电位计RX2的电阻来获得温控PID电路参数。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器温控电路，所述功率放大模块包括：

第一功率放大器U4，其同相输入端与基准电压单元相连，异相输入端连接至电阻R9后再与输出端一起连接至半导体制冷器的一端；以及

第二功率放大器U3，其异相输入端连接至输出端后连接至半导体制冷器的另一端，同时异相输入端连接一电阻R8后再连接至所述第一功率放大器U4的异相输入端。

3.根据权利要求1所述的半导体激光器温控电路，基准电压单元的输出端连接至第一功率放大器U4的同相输入端，第六电阻R6和第二电位计RX2共同连接至第二运算放大器U2的输出端后再连接至第二功率放大器U3的同相输入端。

4.根据权利要求1所述的半导体激光器温控电路，可编程的数字电位计模块，用于通过程序配置第一电位计RX1和第二电位计RX2的电阻来获得温控PID电路参数。

5.根据权利要求1所述的半导体激光器温控电路，开机冷启动时，温控PID电路参数以数字电位计预设值为标准，该预设值使得激光器温控参数中的比例系数较小、积分系数较大，在该设置下，驱动电流平缓上升。

6.根据权利要求1所述的半导体激光器温控电路，冷启动后，通过配置数字电位计的抽头系数来改变温控PID电路参数，将比例系数调大、积分系数调小。

7.根据权利要求6所述的半导体激光器温控电路，配置数字电位计的抽头系数的信号来自于半导体激光器系统中的单片机。

8.根据权利要求6所述的半导体激光器温控电路，配置数字电位计的抽头系数的信号来自于电路板级集成上的FPGA或DSP。

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