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半导体激光器研究的依据及意义

信息技术已成为当今全球性战略技术。以光电技术和微电子技术为基础所支持的通信和网络技术已成为高技术的核心，正在深刻影响国民经济、国建设的各个领域。其中，半导体激光器起着举足轻重的作用

半导体激光器 ，其转换效率高、体积小、重量轻、可靠性高、能直接调制以及与其它半导体器件集成的能力强等特点而成为信息技术的关键器件。在光谱技术、光外差探测、医疗、加工等领域得到愈来愈广泛的应用。目前，它已是固体激光器泵浦、光纤放大器泵浦中不可替代的重要光源。

但是，半导体激光器正常工作时，需要稳定的环境温度。环境温度的变化以及激光器运转时器件发热而导致其温度起伏，将直接影响激光器输出功率的稳定性和运行的安全可靠性，甚至造成半导体激光器的损坏。因此，半导体激光器的驱动电源温度控制问题越来越受到人们的重视。

阀值是所有激光器所具有的特性，它标志着激光器的增益与损耗的平衡点。由于半导体激光器是直接注入电流的电子—光子转换器件，因此其阀值是常用电流密度或者电流来表示的。温度是影响半导体激光器阀值特性的主要因素。温度对阈值电流密度的影响由下面公式 J th （T ）=J th （T r ）exp[(T-T r )/T 0] 1.

(1)

给出。T 为半导体激光器的工作温度，T r 为室温，J th （T ）为工作温度

下的阈值电流密度，J th （T r ）为室温下的阈值电流密度，T 0是表征半导

体激光器温度稳定性的特征温度，它与激光器所使用的材料及结构有关。

温度的变化也影响半导体激光器的激光波长，λ=2nL/m 1.(2) 中，n 为折射率，m 是模数，波长λ随折射率n 和长度L 较大程度的影响。波长λ对T 微分，这里，折射率是温度和波长的函数，即： (1/λ)(d λ/dT)=(1/n)(аn/аλ)T (d λ/dT)

+(1/n)( аn/аT)

λ +(1/L)(dL/dT) 1.（3）最后一项线性膨胀(1/L)(dL/dT)≈10-6，可以忽略，得

-1 (1/λ)(dλ/dT)= (1/n)( аn/аT)

λ[1-(λ/n)(dn/dλ)T]

1.(4)

为了写成较容易测量的形式，将（2）式写成mλ=2nL,再对λ微分，得λ(dm/dλ)+m=2L(dn/dλ) 1.(5)

对于单模间隔dλ∽Δλ,dm=-1,得

]=[1/(2nL)]( λ2/Δλ) 1.(6) [1-(λ/n)(dn/dλ)

T

综合（4）、（6）式得

2/Δλ) [(1/λ)(dλ/dT)] 1.(7) (аn/аT)

λ=[1/(2L)]( λ

由此很容易看出折射率对温度的依赖关系以及对波长的影响。一般，当温度升高时，自发射峰向长波长方向移动。如图1.1所示。

图1.1 波长---温度曲线

因此，温度控制系统的好坏直接影响半导体激光器的性能。

国内外的研究状况及发展趋势

目前，国内外有许多关于半导体激光驱动系统温度控制的研究和文献报道。西安的张先武和陈胜石的《通信用大功率半导体激光器的温度控制系统》一文对半导体温度控制系统作了深刻的研究，但是目前国内的温度控制系统大部分还是纯硬件模拟电路系统，温度控制还依靠直流风机和散热器散热，在国外近年来已逐渐将数字技术应用于半导体激光器的驱动系统中，如意大利的Fabrizio Barone 等人将数字温控技术应用于半导体激光系统，获得了±20μK的温度稳定度。

在传统的温控系统中，一般采用专用的单片机，一旦其扩展性和通用性不强，而且控制策略的实现和改变比较麻烦，由于单片机功能限制，难以保证高精度温控要求的实现，于是出现了利用工控机和采集卡进行控制，但必须设计相应的温度接口滤波，信号转换电路。在

温控策略的实现上一般温控系统为大滞后系统，被空对象参数变化比较大，影响因素较多，非线性严重，难以建模，在对象参数变化，数学建模不精确和控制环境变化时，其性能会显著变坏。多信号和多通道高精度温控系统。未来的温度控制系统将朝着多信号、多通道、高精度的方向发展。

本课题研究内容及实验方案

本课题主要利用单片机对温度数据采集、数据线性化处理、温度控制及显示进行算法研究及程序设计，结合硬件电路进行系统程序调试，最终实现对半导体激光驱动电源温度的精确控制。

根据相关知识及资料，我们的设计方案如下：

1：温度数据的采样

通过热敏电阻来检测温度，将温度转变为电压信号，经放大后送A/D转换，通过A/D转换器进行数据的采样。根据滤波的需要，我们将进行100次采样作为一组采样数据。考虑到时序的配合，A/D转换需要延时100us。根据要求我们将编写相应的温度数据采集子程序。

2：数字滤波

由于半导体激光器的工作环境对温度非常灵敏，干扰源较多，系统将受到电源或机械设备的噪声干扰。尽管大多数信号前置处理部分都接有RC低通滤波器，能最大限度地剔除50HZ或60HZ的噪声，对于小于0.1的干扰信号（如振动）则往往需要使用防混淆滤波器。而防混淆滤波器具有非常陡峭的截止频率，几乎可以将频率高于数据采集卡输入带宽的全部信号除去，但是对于频率非常小的干扰信号，比如小于0.1HZ的干扰，用硬件滤波就非常困难，并且造价很高。采用数字滤波，通过计算程序对采集信号进行分析处理，以达到消除低频干扰的目的。

数字滤波有很多种，通常用得较多的有程序判断滤波、算术平均滤波、中值滤波、一阶滞后滤波、防脉冲干扰滤波等。

考虑到温度变化缓慢特点，我们采用了中值滤波与算术平均滤波相结合的的滤波方法。通过中值滤波能有效地滤去由于偶然因素引起

的波动或采样开关，

A/D转换器工作不稳定等造成的脉冲干扰。对变化缓慢的温度量滤波效果较好。

而使用算术平均滤波能有效地抑制周期性的干扰信号。除去因ADC 转换带来的误差数据。

通过中值滤波与算术平均滤波相结合进行滤波，能更好地缩小测量值与真实值之间的误差。

具体程序算法：将100次采样值进行排序，去除20个最大数据与20个最小数据，剩下的60个数据取平均值，即为滤波后所得值，送到处理器进行处理。

根据算法编写相应的滤波子程序。

3：线性化处理

由于温度传感器的非线性问题，如热敏电阻的的热电阻与被测温度之间是非线性的，从而使得所测电压与温度成非线性关系。为了便于显示和数据处理，希望计算机输出的数据与被测物理量之间的数据是线性的，因而对采集的数据需要进行线性化处理。

先性化处理有很多种方法，通常用到的主要有曲线拟合法、线性插值法和二次抛物线插值法。考虑到显示精度，我们主要采用了分段性线性插值法实现线性化处理，分段线性插值法的计算只需要作乘法和加法运算，计算量小，且精度容易控制，所以我们采用。

4：DDC控制与PID控制

本设计以电流和温度为控制对象，按照设计特点，采用DDC控制系统。用一台单片机对多个被控参数进行巡回采样检测，通过模拟量输入通道将模拟量变成数字量，结果与设定值进行比较，再按PID规律或直接数字控制方法进行控制运算，再由模拟量输出通道输出到执行机构对生产过程进行控制，使被控参数稳定在给定值上。DDC控制系统的另一个优点是灵活性大，可靠性高。因为计算机计算能力强，所以用它可以实现各种比较复杂的运动规律，如串级控制、前馈控制、自动选择控制以及大滞后控制等。其中生产过程对应于本系统的驱动