半导体激光器温度控制系统.

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高精度输出半导体激光器的温度控制系统设计

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ＴｅＤｓ９ｆｒａＨ９ｒｃｓ０ｅｐｒｔｒｙｔｍｈｅｉｎｏｉｈＰｅｉｉｎＴｍｅａｕｅＳｓｅ
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Ｋｅｗｏｄ：ＬｓｔＤｏｅ：ＴｍｅａｕｅＣｎｒｌｇｖｒｓａｅｉｄｅｐｒｔｒｏｔｏｉ１ｎ
０弓言Ｉ随着光纤通信向着小型化、集成化发展，掺铒光纤放大器（Ｆ）ＲＭＮ大器的பைடு நூலகம்用越来越广泛，ＥＡ和ＡＡ放Ｄ要求半导体激
将Ｌ的温度反馈到输入端，Ｄ经过差动放大和缓冲隔离后送入ＰＤＩ控制器，通过控温执行元件实现温度控制【。２测温部分用】具有高灵敏度的负温度系数的热敏电阻（Ｔ）ＮＣ作为温度传感
器，将实际温度与设置温度值相减，差值送ＰＤ制器驱动Ｉ控温控执行部分。用ＴＣＥ作为制冷器件，ＴＣ用乙类双电源互Ｅ补对称功率放大电路驱动。１１温度／．电压转换电路进行精密温控的前提条件是能够高精度高分辨率的检测温度值。本文中的温控装置用于激光器，温控精度要求达到 ±Ｏ０１，因此相应的测温分辨率至少应高出一个数量级。．２Ｃ通常的集成温度传感器或半导体温度传感器达不到如此精度，热敏电阻具有较高的温度系数，但非线性很大。由于ＬＤ体积非常小，以，测温器件也要很小。所采用半导体工艺制成的薄膜铂热敏电阻器，不仅体积小（以做到２Ｏｍｘ可．ｍ２５．ｍｍ１１ｘ．ｍｍ）而且具有很好的灵敏度和稳定性，，它将温度的变化转化为电阻值的变化，在不太宽的温度范围内（０１２０Ｃ以下），其电阻与温度的关系可以表示为：ＲＲ［一ｏ（＝。１【０，０）】式中：。０Ｒ为时的电阻值（：为选定温度，一般Ｑ）０。为０Ｃ０时的电阻值；ｏ１；Ｒ为。【为温度系数。测温电路如图一所示，采用桥路放大采样。为了很好的使热敏电阻（ｔＲ）的变化与输出的电压线性化，电路中设计ＴＲ与Ｒ并联。ｔ电桥由Ｒ、Ｒ、Ｒ、Ｒ、Ｒ组成。因此，Ｒ上的电压变化就１２３４ｔｔ

半导体激光器温度控制系统设计与算法仿真

ＤｅｓｉｇｎａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＡｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｏｆＤｉｏｄｅＬａｓｅｒ
ＷＡＮＧＬｉｎｇ，ＹＥＨｕｉ — ｙｉｎｇ，ＺＨＡＯＷｅｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉｏｄｅｌａｓｅｒ（ＬＤ）ｈａｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｉｒｓｔｉｃｓｏｆｌａｒｇｅｖｏｌｕｍｅ，ａｎｄｌｏｗｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏ１．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅ —
２０１３
仪表技术与传感器
ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ
２０１３
第５期
Ｎｏ．５
半导体激光器温度控制系统设计与算法仿真
．
汪
灵，叶会英，赵
ｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｓ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌ；Ｓｍｉｔｈａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｆｕｚｚｙＰＩＤ・Ｓｍｉｔｈｃｏｎｔｒｏｌ

基于ADRC的半导体激光器温度控制的仿真研究

０引言
半导体激光器是基于半导体材料中电子一空穴
体激光器温度。
关键词：半导体激光器；温度控制；自抗扰控制
中图分类号：ＴＮ２４８．４
文献标志码：Ａ
文章编号：１０００— ０６８２（２０１３）ｏｌ一０００３— ０３
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｂｓｅａｄｏｎＡＤＲＣ
ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｅ，ｔｈｅｒｅｂｙａｆｆｅｃｔｉｎｇｉｔｓｏｐｔｉｃａｌｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒａｎｄｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ．Ｉｔｉｓｎｅｃｅｓ — ｓａｒｙｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｅｍｉｃｏｎ—
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌ；ａｃｔｉｖｅｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｒｅｊｅｃｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ（ＡＤＲＣ）

气体传感器中半导体激光器的温度控制

ｕｓｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｌａｓｅｒ，ｂｕｔｔｈｅｓｔｕｃｒｔｕｒｅｏｆｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒｃｏｎｆｉｎｅｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｃａｎｎｏｔｔｏｂｅａｃｃｕｒａｔｅ
Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｉｎｇａｓｓｅｎｓｏｒ
ＷＡＮＧＺｈｕｏ，ＭＩＮＫｕｎ— ｌｏｎｇ，ＢＡＩＸｕｅ — ｂｉｎｇ，ＣＡＩＨｏｎｇ — ｇａｎｇ
验结果表明：光源温度偏差可以控制在０．Ｏ１ ℃以内，进一步提高了光学气体传感器的工作稳定度。
关键词：气体传感器；半导体激光器；温度控制
中图分类号：ＴＰ２１２．３文献标识码：Ａ文章编号：１０００－９７８７（２０１３）０６－００４３－０４
ｌａｓｅｒ，ａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｌａｓｅｒｉｓｏｎｅｆｏｔｈｅｍａｊｏｒｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｗａｖｅｌｅｎｔｇｈ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒｉｎｓｉｄｅｌａｓｅｒｉｓ
（东北林业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨１５００４０）

一种大功率TEC温控系统的设计

计算机测量与控制．２０２０．２８（１１）　犆狅犿狆狌狋犲狉犕犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋牔犆狅狀狋狉狅犾　·１０６　·收稿日期：２０２００４２１；　修回日期：２０２００５１５。

基金项目：深圳技术大学２０１７年度新引进教师科研启动项目（１８１４３０９０１１１７００５）。

作者简介：敬奕艳（１９８２），女，四川盐亭人，硕士，高级工程师，主要从事电子技术实验教学和电子产品设计方向的研究。

文章编号：１６７１４５９８（２０２０）１１０１０６０５ＤＯＩ：１０．１６５２６／ｊ．ｃｎｋｉ．１１－４７６２／ｔｐ．２０２０．１１．０２２中图分类号：ＴＰ２７１文献标识码：Ａ一种大功率犜犈犆温控系统的设计敬奕艳（深圳技术大学新材料与新能源学院，广东深圳　５１８１１８）摘要：小功率半导体激光器常采用ＴＥＣ片进行温度控制，其中，ＴＥＣ片工作电压为５Ｖ，工作电流低于４Ａ的应用已经有了几种成熟的芯片方案，而更高电压和电流的ＴＥＣ温控需要自行设计控制系统；设计了一种基于ＡＶＲ单片机ＡＴｍｅｇａ１２８，适用于较大功率ＴＥＣ片的温控系统，主要技术指标包括：ＴＥＣ片工作电压范围６～２４Ｖ，峰值电流≤２０Ａ，控温范围：０～７０℃，控温精度±０．０５℃；使用负温度系数热敏电阻采集温度，包含温度信息的电压值转化为数字量输入单片机，单片机根据位置式ＰＩＤ控制算法的计算结果输出控制信号，驱动由两片ＢＴＮ７９７１Ｂ构成的Ｈ桥电路，Ｈ桥输出电压提供给ＴＥＣ片；对硬件和软件的实现方法进行了详细分析，重视控温精度、系统的可靠性设计；经过实际测试，可实现前述技术指标，能满足较大功率半导体激光器的控温要求。

关键词：温度控制；ＴＥＣ；ＰＩＤ算法；ＡＴｍｅｇａ１２８犇犲狊犻犵狀狅犳犪犜犈犆犜犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲犆狅狀狋狉狅犾犛狔狊狋犲犿犠犻狋犺犎犻犵犺犘狅狑犲狉ＪｉｎｇＹｉｙａｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＮｅｗＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＮｅｗＥｎｅｒｇｉｅｓ，ＳｈｅｎｚｈｅｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ　５１８１１８）犃犫狊狋狉犪犮狋：ＬｏｗｐｏｗｅｒｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｓｏｆｔｅｎｕｓｅＴＥＣｃｈｉｐｓｆｏｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌ，ａｍｏｎｇｗｈｉｃｈ，ｔｈｅｒｅａｒｅｓｅｖｅｒａｌｋｉｎｄｓｏｆｍａｔｕｒｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｆｏｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｏｆｗｏｒｋｉｎｇｖｏｌｔａｇｅｏｆ５Ｖａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｌｅｓｓｔｈａｎ４Ａ．Ｆｏｒｂｉｇｇｅｒｖｏｌｔａｇｅａｎｄｃｕｒｒｅｎｔ，ａｕｎｉｑｕｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｎｅｅｄｓｔｏｂｅｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＡｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＡＶＲｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒＡＴｍｅｇａ１２８ｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｈｉｇｈｐｏｗｅｒＴＥＣｃｈｉｐ．Ｔｈｅｍａｉｎｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｃｌｕｄｅ：ｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｖｏｌｔａｇｅｒａｎｇｅｏｆＴＥＣｃｈｉｐｉｓ６－２４Ｖ，ｔｈｅｐｅａｋｃｕｒｒｅｎｔｉｓｕｐｔｏ２０Ａ，ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｒａｎｇｅｉｓ０－７０℃，ａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌａｃｃｕｒａｃｙｉｓ±０．０５℃．Ａｎｅｇａｔｉｖｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒｉｓｕｓｅｄｔｏｃｏｌｌｅｃｔｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ａｎｄｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｃｏｎｖｅｒｔｅｄｉｎｔｏａｄｉｇｉｔａｌｖａｌｕｅａｎｄｔｈｅｎｓｅｎｔｔｏｔｈｅｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｏｆｐｏｓｉｔｉｏｎｔｙｐｅＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｅｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒｏｕｔｐｕｔｓｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｉｇｎａｌｓ，ｗｈｉｃｈｄｒｉｖｅｔｈｅＨ－ｂｒｉｄｇｅｃｉｒｃｕｉｔｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｔｗｏＢＴＮ７９７１Ｂ，ａｎｄｔｈｅＨ－ｂｒｉｄｇｅｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｉｓｐｒｏｖｉｄｅｄｔｏｔｈｅＴＥＣｃｈｉｐ．Ｔｈｅｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ，ａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｓｙｓｔｅｍｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｒｅｅｍｐｈａｓｉｚｅｄｉｎｄｅｓｉｇｎ．Ａｆｔｅｒｐｒａｃｔｉｃａｌｔｅｓｔｓ，ｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｃａｎｂｅａｃｈｉｅｖｅｄ，ａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｈｉｇｈｅｒｐｏｗｅｒｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒａｒｅｍｅｔ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌ；ＴＥＣ；ＰＩＤａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ＡＴｍｅｇａ１２８０　引言半导体热电致冷器（ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｏｌｅｒ，ＴＥＣ）是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。

基于半导体制冷器的激光器温度控制系统

ＶＯ１．３１ＮＯ．３
Ｊｎ２１ｕ．００
基于半导体制冷器的激光器温度控制系统
王博钰，贾文超
（春工业大学电气与电子工程学院，吉林长春１０１）长３０２
摘要：采用ＮＴＣ作为温度传感器进行温度采集，利用ＰＷＭ脉宽调制技术及ＰＤ补偿算法Ｉ实现温度调节，导体制冷器作为控制终端控制激光器温度。经过实验测试，激光器温度保半使
激光器温度检测电路主要完成对激光器温度
的作者简介：王博钰（９１）男，族，林吉林人，春工业大学硕士研究生，要从事数字化检测技术方向研究， — ｉ：１８一，汉吉长主Ｅｍａｌｗａｇｏｕｃｓ．ｄ．ｎ＊联系人：文超（９５）男，族，林松原人，春工业大学教授，士，ｎｂｙ＠ｕｔｅｕｃ．贾１６一，汉吉长博主要从事电气工程、达、拟仪器等方向研究，－ｉｊｗｅｃａ＠ｍａ．ｃｔｅｕａ．雷虚Ｅｍａｌｉｎｈｏ：ａｉｃｕ．ｄ．ｎｌ
Ａｂｓｒｃ：Ａｓｔｅｅｔａｔｈｔｍｐｅａｕｅｅｓｒ，ＮＴＣｓｕｓｄｔｓｍｐｌｈｅｔｍｐｅａｕｒ．Ｔｈｅｔｍｐｅａｕｒｓｒｔｒｓｎｏｉｅｏａｅｔｅｒｔｅｅｒｔｅｉ

半导体激光器参数温度依赖关系

半导体激光器参数温度依赖关系摘要本文主要对半导体激光器的阈值电流、外微分量子效率、输出光功率、模谱等主要参数与温度间关系进行分析，探究半导体激光器主要参数受温度影响的情况。

从阈值电流与温度的关系式中，发现阈值电流与温度有明显的相关性，实验中测量出不同温度下的P-I特性，证明了这个结论。

随后对外微分量子效率进行探究，发现其与P-I曲线的斜率大小相同。

最后测量了三组温度下激光器的模谱，分析了温度与模谱之间的关系。

通过对这三个部分的研究，为半导体激光器在不同温度场景的应用奠定理论模型基础。

关键词：阈值电流，外微分量子效率，输出光功率，模谱，温度Relationship between the semiconductor laser parameters and the temperatureAbstractThis paper focuses on the relationship between the semiconductor laser threshold current ，external differential quantum efficiency, output power, mode spectrumand temperature were analyzed，Explore the relationship between the temperature of the semiconductor laser parameters.From the threshold current versus temperature formula, We found that the threshold current with temperature significantly correlated，Experimental measurements of the P-I characteristics at different temperatures and this conclusion is proved. Then explore the externaldifferential quantum efficiency，It found P-I curve slope equal in value. The last three groups were measured at the temperature of the laser mode spectrum, It analyzes the relationship between temperature and the mode spectrum. By studying the three portions, A semiconductor laser theoretical foundation model in use under different temperature scenarios.Key Words：Threshold Current，External differential quantum efficiency, output power, mode spectrum, temperature第一章绪论在1917年，受激辐射现象的存在被爱因斯坦预言，后来研究者们在光波段研究受激辐射放大。

半导体激光器的热反转

半导体激光器的热反转
半导体激光器的热反转（Thermal Reversal）是指在激光器工作时，由于温度的变化导致激光器内部的光学性质发生改变，从而影响激光的输出特性。

这种现象在高功率半导体激光器中尤为显著，因为它们在工作时会产生大量的热量，导致激光器芯片的温度升高。

热反转的主要表现包括：
1.波长漂移：随着温度的升高，激光器的发射波长会向长波长方向漂移，这通常被称为“红移”。

这是因为激光器内部的折射率会随着温度的变化而变化，从而改变了激光器内部的谐振条件。

2.功率下降：温度升高还可能导致激光器的输出功率下降，因为高温会增加激光器内部的损耗，减少有效的激光输出。

3.阈值电流上升：热效应还可能导致激光器的阈值电流上升，这意味着需要更多的电流才能启动激光器的正常工作。

4.效率降低：随着温度的升高，激光器的转换效率可能会降低，因为热量的产生会导致更多的能量损失。

为了减少热反转对半导体激光器性能的影响，通常会采取以下措施：
热管理：设计有效的散热系统，如使用散热片、热沉或
液冷系统，以控制激光器的工作温度。

热隔离：在激光器芯片和封装之间使用热隔离材料，以减少热量从芯片传递到封装。

温度控制：使用温度传感器和控制系统来监控和调节激光器的工作温度，以保持其稳定运行。

热设计优化：优化激光器的热设计，如使用热传导性好的材料、改善热路径设计等，以减少热量的积累。

热反转是高功率半导体激光器设计和应用中需要特别注意的问题，通过合理的热管理措施可以有效地提高激光器的性能和可靠性。

大功率半导体激光器高精度温控系统研究

大功率半导体激光器高精度温控系统研究王宗清;段军;曾晓雁【摘要】为了减小温度对半导体激光器输出光波长和功率稳定性的影响，设计了由恒流模块驱动半导体制冷器，通过改变恒流模块的电流来控制半导体制冷器的制冷量，利用分段积分的比例－积分－微分控制算法，选择最优控制参量，实现大功率半导体激光器的精密温控系统。

系统包括高精度测温电路、控制核心DSPF28335、半导体制冷器控制电路、人机交互及通信模块。

在5℃～26℃环境下对系统进行测试，实现50W大功率半导体激光器的恒温控制，温控范围为15℃～45℃，温控精度达到±0．02℃。

结果表明，该系统温控范围广，控制精度高，满足大功率半导体激光器的温控要求。

%In order to reduce the influence of temperature on output wavelength and power stability of semiconductor lasers, a constant current module was designed to drive thermoelectric cooler .The cooling capacity of the thermoelectric cooler was controlled by changing the current of the constant current module .The optimal control parameters of proportion-integration-differentiation algorithm were set to realize high precision temperature control .The system consists of high precision temperature measurement circuit , control core of DSP F28335, thermoelectric cooler control circuit , human-computer interaction and communication module .Constant temperature control was realized for a 50W high power laser diode at 5℃~26℃ambient temperature, the temperature control accuracy reached ±0.02℃at 15℃~45℃.The results show that this system has a wide temperature control range and highcontrol precision , which satisfies the requirement of temperature control of high power semiconductor lasers .【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】4页(P353-356)【关键词】光电子学;温度控制;恒流源;半导体激光器;温控算法【作者】王宗清;段军;曾晓雁【作者单位】华中科技大学武汉光电国家实验室，武汉430074;华中科技大学武汉光电国家实验室，武汉430074;华中科技大学武汉光电国家实验室，武汉430074【正文语种】中文【中图分类】TP273引言半导体激光器(laser diode，LD)的性能受温度的影响很大，如阈值电流、输出光波长和功率都会随温度变化。

CPT原子钟系统光源温度控制设计与实现

ｃｉｙＣｏｒｓｏｄｎｖｌｎｔｏｔｏｃｕａｙｗａ０ｎ．ｕｔ．ｒｒｅｐｎｉｇｗａｅｅｇｈｃｎｒｌａｃｒｃｓ０．０１２ｍ
ＫｅｒｓｔｃｃｃＬｇｔＯｌｅＴｍｅａｒｃｎｏＳｍｃｎｕｔｓｒｙｗｏｄＡｏｌｋｉｈＳｔｃｅｐｒｔｅｏｔｌｅｉｄｃｏｌｅｍｉｏｒｕｒｏｒａ
２１年４月０１
宇航计测技术
ＪｕｎｌｏｔｏａｔｔｏｏｙａｄＭｅｓｒｍｅｔｏｒａｆＡｓｎｕｉＭｅｒｌｇｎａｕｅｎｒｃ
Ａｐ．，０１ｒ２１
第３１卷
第２期
Ｖ０．１Ｎｏ２１３．．
高也将造成激光器波长的改变。更重要的是，件器工作温度的升高还将减小器件的使用寿命Ｊ。而对于ＣＴ原子钟而言，Ｐ由于其采用垂直腔表面发射
光器是电子一光子的转换器件，在一定的结构下，其
收稿日期：００一ｌ２１１一ｌ，回日期：００—１１修２１２—２１基金项目：国家高新技术研究发展计划资助项目（０６Ａ４３６２０Ａ０Ｚ４）
ＡｂｔａｔＴｅａｔｓａｅｔｇｔｅｗｖｌｇｆａｅｉｅ（Ｄ）ｗｒｒｓｎｅ．ＡｃｃｉｆｒｓｒｃｈｃｏｆｃｎａｅｎｔｏｓｒｏｆｒｆｉｈｅｈＬＤｄＬｅｅｐｅｅｔｄｉｕｔｏｒ

半导体激光器的温控电路设计

作电压为２８—５５．于它工作在．．Ｖ由
图２Ｍ７２ＡＣ８０内部结构框图
ＰＷＭ调制模式下，并且具有低输出电阻，从而使它的内部耗散功率极低，不容易发热．Ｒ５１ＤＶ９内部ＰＷＭ调制频率可以由外部元件选定工作在１０Ｈ０ＫＺ模式或者５０Ｈ０ＫＺ模式，电压增益约为２３／．．ＶＶ
源流人热敏电阻，热敏电阻上产生代表温度的电压，电压经过电压跟随器放大电流，大后进人ＯＡ在该放Ｐ７的异名端，Ｐ７和一个包含两个电容一个电阻的Ｒ网络构成一个误差放大器，误差放大器把单片机设ＯＡＣ该
十收稿日期：００— ３—１２１０８
作者简介：陈建萍（９１，，１８一）女赣南师范学院物理与电子信息学院教师、硕士，主要从事半导体器件及材料
第３期
陈建萍，润华刘
半导体激光器的温控电路设计
７５
一Ｓ
图３ＤＶ９Ｒ５１内部结构框图
器进行精密的温控．常，导体激光器要求工作在２￣通半５Ｃ状态，要求正负０１的恒温精度．．℃ 半导体激光器内部通常封装ＴＣ制冷片和热敏电阻，需外接元件．Ｅ无本文针对半导体激光器的工作需要，出一种基于硬件提
定的温度值和实际检测到的温度值进行比较放大，比较后的结果经过ＤＶ９放大，大后的信号驱动Ｒ５１放ＴＣ，Ｅ改变ＴＣ温控面的温度．Ｅ如果ＴＣ温控面温度和单片机通过ＤＥＡ转换器设置的温度一致，差放大器误将会输出０信号，ＥＴＣ处于空闲状态；当受到环境温度微扰后ＴＣ温控面温度会产生变化，时误差放大器Ｅ此会放大该误差并将结果反映为ＤＶ９Ｒ５１的输出，制流过ＴＣ的电流，统温度最后会稳定在ＤＣ的输出控Ｅ系Ａ

半导体激光器温度控制系统的设计

激光与红外 No. 4 2006 焦明星邢俊红刘芸等半导体激光器温度控制系统的设计
263
0～2A 的电流来驱动 TEC 工作 ,从而控制 LD 的温度。
4 系统软件设计本系统的被控对象是中小功率 LD ,针对 LD 温
度数学模型的不确定性 (LD 温度随 LD 注入电流大小改变而改变 ) ,我们采用模糊控制理论与数字 P ID 参数自适应调整相结合的控制算法。温度控制系统
3. 2 温度信号的采集与控制通过对温控系统的原始信号进行转换、处理 ,以
产生与温度偏差相对应的控制量 ,从而驱动半导体制冷元件工作。
系统采用 12位双积分 A /D 转换器 ICL7109,对 1～4V的温度模拟电压信号进行 A /D 转换 , ICL7109 的分辨率为 1 /4096 或 244ppm ,内部有锁存器和寄存器 ,可以和各种微处理器直接连接 ,转换速度最高达每秒 30 次。在单片机 AT89S52 控制下 ,温度模拟电压信号经 CD4051 多路模拟开关 , 输入到 ICL7109的模拟量输入端实现 A /D 转换。转换数据的显示采用专用数码管显示驱动芯片 MAX7219,该芯片硬件电路简单 ,不占用数据存储空间 ,只需将欲显示的数字量逐位送至相应的数字存储器即可自动扫描 ,自动显示。设定温度的标准电信号由精密电位器对基准电压源分压得到 ,经多路模拟开关和 A / D 转换器采集后由单片机读取并保存。
(4)
其中 , P、I和 D 依次为比例、积分和微分系数 , 可见
P、I、D 参数对系统总输出控制量有很大影响。由于
本温控系统的控温范围较大 ( 10～40℃) , 控温稳定
度要求较高 ( 0. 2℃) , 所以控温点比较多 , 较多的控

基于模糊PID控制的半导体激光器温控系统

构成一个两输入三输出的模糊控制器。
３．１模糊化设计
为了能够进行模糊控制，首先要对确定数值
的输入、输出变量进行模糊化处理，使之成为模糊语言变量值。本设计中所有输入、输出变量均采用７档进行模糊划分，即ＮＢ（负大）、ＮＭ（负中）、ＮＳ（负小）、ＺＯ（零）、ＰＳ（正小）、ＰＭ（正中）、ＰＢ（正大）。由于隶属函数的形状对模糊控制的控制效果影响不大，本设计选用三角形，在两端选为
收稿日期：２０１３－０９－０２
传统的ＰＩＤ控制在自适应性和鲁棒性等方面往往不
激光与红外
Ｎｏ．１２０１４
左
帅等
基于模糊ＰＩＤ控制的半导体激光器温控系统
９５
控制量，对被控对象进行控制，具有算法简单、易于掌握，且无须知道被控对象的精确模型，具有较好动态特性，已经得到了广泛地应用。本文将模
（ＮｏａｈＣｈｉｎａＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏ — ｏｐｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｏｒｙｏｆｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌ，ａｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌａｎｄＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｉｓｕｓｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｋｎｏｗｎａｓｆｕｚｚｙＰＩＤｃｏｎｔｒｏ１．Ａｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｉｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．Ｉｔｃａｎａｄａｐｔｉｖｅｌｙ

高精度半导体激光器温度控制系统技术研究

ｔｎｌｎｅｒ１ｉｅｅｔ１Ｐｏｅｓｒｉａｉｔａ．ｆｒｎｉ）ｒｃｓｏｏ — ｇｄａ０引言
输出影响最大。Ｄ的输出波长与温度有着很大的关Ｌ系。当Ｌ内部温度增加时，Ｄ输出波长也随之增加，波长随温度变化的典型值为０一Ｏ／［－．ｎ￣３４ｍＣ。要想得到ＬＤ高效稳频、低噪声的输出，则必须对Ｌ的驱动电流和温度进行高精度的控制。传统Ｄ
ｓｍｉｎｕｔｒｌｅｉｅｔｍｐｒｔｒｃｎｒｌｔｅｐｅｉｏｆｈｏｔｌｄｔｍｐｒｔｒｅｃｄｃｓｒｏｏｏａｄｄｅｅａｅｏｔ，ｈｒｃｓｎｏｅｃｎｒｌｕｏｉｔｏｅｅｅａｕｅｉｓ士００ ℃ ａｄｔｅ．１ｎｈｐｅｉｏｆｈｏｔｌｄｗｖｌｇｈｉ士０Ｉｍ。ｈｐｒｎａｕｅｎｆｕｐｔｕｒｎａｉｔｓｒｃｓｎｏｔｅｃｎｏｌａｅｅｔｉｒｅｎｓ．ｎＴｅｘｅｍｅｔｅｉｍｅｓｒｍｅｔｏｔｒｔｔｂｌｙａｏｉｏｕｃｅｓｉｌｓ
ｇｖｎｏｔＷｉｈｓｓｓｅ，ｕｘｅｉｎｐｒｖｓｔｅｌｅａｄｔｅｐｒｐｃｒｍｆｌｓｒｄｏｅｃｎｂｍ－ｉｅｕ．ｔｔｉｙｔｍｏｒｅｐｒｈｍｅｔａｐｏｅｈｉｎｈｕｅｓｅｔｆｕｏｅｉｄａｅｉａ
长的单一性。
关键词：激光光源；温度控制；半导体制冷器；驱动电路；ＩＰＤ控制器中图分类号：Ｐ７Ｔ２３文献标识码：Ｂ文章编号：６１７２（０３０３ —４１７．９．１）．０００４２１

半导体激光器自动温度控制系统优化设计

源
常用ＴＣ驱动电路如图４Ｅ所示，其主要由互补的Ｎ沟道和Ｐ沟道ＭＯ场效应管组成。当输入电Ｓ
压为正电压时，场效应管Ｑ、Ｑ导通，Ｑ、截止，ＱＴＣ流过正向电流，ＥＥＴＣ工作于制冷状态；当输入电压为负电压时，场效应管Ｑ、Ｑ导通，Ｑ、截止，Ｑ
ｃ改进的电压源法、
图２温度采样电路电桥法如图２所示，其主要由Ｒ、２Ｒ和．ａ１Ｒ、３
Ｒ组成桥式电路，ｓ通过比较桥式电路两中点的电压值来控制后端ＴＣ驱动电路的电流大小和方向，Ｅ对半导体激光器进行加热或制冷操作，达到控制温度控制的目的；同时通过调整可调电阻的阻值可达到改变平衡点温度的目的。但是在实际使用过程中，由于桥式电路采用的电阻较多，且可调电阻的精度和温度系数指标较低，因此温度控制精度不高。电压源法如图２所示，其主要通过精密电阻．ｂ和热敏电阻组成的分压网路进行温度采样，但是由于电压源常常容易受到噪声的干扰，导致电压源自身的电压不准，从而造成温度采样电压不准，对温度的计算带来误差。本文采用了一种改进的电压源法（如图２所．ｃ示）同时对电压源和热敏电阻分压进行采集，，通过计算可以除去电压源的误差带来的影响。此时采样电压的准确度只与精密电阻有关，而精密电阻的精
现代光纤通信系统。半导体激光器是温度敏感器
５ＴＣ驱动电路根据输入电压的大小对制冷）Ｅ器进行加热或制冷控制，达到温度控制的目的。
半导体激光器
件，随着温度的变化其输出功率和输出波长都会发生变化，了保证半导体激光器的稳定性，为必须对

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半导体激光器温度控制系统
半导体激光器广泛应用在工业加工、精密测量、通讯等领域。

半导体
激光器是一个对温度很敏感的器件,它的输出波长和功率会随着温度的变化而改变,工作寿命也会因此而缩短。

所以为了保证半导体激光器工作性能的良好,必
须要控制半导体激光器的温度。

本文利用半导体制冷器作为系统的执行元件,设计出了半导体激光器的温度控制系统。

目前半导体激光器的温控执行元件大多
使用半导体制冷器。

半导体制冷器是根据珀尔贴效应而制成的,当给它通上直流电时,半导体制冷器就会加热或制冷,从而控制半导体激光器的温度。

本文首先
研究了半导体制冷器的工作原理,而后在此基础上应用小信号分析法,建立出在
平均意义下的半导体制冷器的数学模型。

其次研究半导体激光器和温度传感器
的模型,得出了温控系统的传递函数,通过分析温控系统的传函和温控系统需要
达到的性能要求,设计了PID控制器和模糊自适应PID控制器来优化系统,得出
应用模糊自适应PID的系统控制精度可以达到0.01℃。

然后又利用遗传算法对
系统进行寻优,遗传算法不需要任何初始信息便可以寻求到全局最优解,本文设
计出基于遗传算法的PID控制器,与PID控制和模糊自适应PID进行比较,经过
仿真比较,得出基于遗传优化的PID控制效果更好。

最后,设计温度控制系统的
硬件部分。

详细介绍了系统的数据采集部分、单片机接口部分、功率驱动器部
分和显示器部分。

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【作者相关信息搜索】：燕山大学;控制理论与控制工程;臧怀泉;李茜;。