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高精度温度控制系统论文
半导体激光器温度控制系统的设计
摘要
目前，半导体激光器（LD）广泛应用于科研、国防、工业等领域中。
但由于LD工作时温度的自身温度的升高使其波长展宽，严重影响了测量仪器的精度、通信质量、更不能适应恶劣的工业环境。
因此，需要对LD的温度变化进行严格控制。
本课题的被控对象是小型LD，利用铂电阻为温度传感器，采用无污染、制冷效果显著的制冷器件——半导体制冷硅（TEC）作为系统的执行元件，设计了一种高精度和高稳定度的LD温控系统。
由于LD温度数学模型的不确定性（LD温度随注入LD的电流的大小而改变），而且控制精度要求比较高（0.1℃），传统的控制方案难以实现。
因此，本系统采用了单片机和自动控制相结合的方法。
首先，设计温度传感器模块，采用铂电阻采集LD的温度信号；其次，设计控制模块，以ADUC831为基础进行编程，实现系统的控制；最后，设计TEC控制部分，以LTC1923为控制器件，控制TEC工作，达到温度控制的目的。
研究结果表明：
LD的温度控制在20℃～30℃范围之内任意设定，温控精度达到0.1℃.本温度控制系统为中小功率LD的温度控制提供了一种良好的解决方案。
关键词：
LD，半导体制冷器，自动控制
ThedesignofLaserDiodeTemperuatreConrtolTechnology
Abaract
Now,laserdiode（LD）isextensivelyappliedinscienceandresearch,nationaldefense,industryfieldsetc.However,itsownraisingtemperaturemakesthewavelengthlongerwhenLDworks.Thesituationhasthegreatinfluenceontheprecisionofmeasureinstruments,thequanlityofcommunication,andletalongadjustingtotheterribleindustialenvironment.Therefore,itisverynecessarytocontroltheLD’workingtemperture.ToworkoutthesystemofLD’controllingtemperturatewithhighprecisionandsteady,thestudyregardsasmallscaleofLDasthecontrolledobjective,makesuseofplatinumresistorasthetemperatureconveyinginstrument.Adoptnon-pollutingandgoodcoolresultrefrigerationdivces---semiconductorrefrigerationsilicon（TEC）assystemtemperturecontrolconductdevice.
BecauseoftheuncertaintyofmathemeticalmodeoftheLDtemperature（theLDtemperaturechangeswiththeinputcurrentofLD）,andtheaccuracyofthetemperturecontrolsystemisashighas0.1℃，thetraditionalcontrolmethodisdifficulttoobtainsuchanaccuracy.Therefore,thissystemusesamicrocontrollerofcombiningtheautomaticcontrolmethod.Fristofall，designtemperaturesensormodule,useaplatinumresistoracquisitiontheLDtemperturesignal;Secondly,designcontrolmodule,tobasedonADUC831programming,enforcethesystemcontrol;Finally,designTECcontrolsection,withtheLTC1923forcontroldevice,contoltheTECtoachievethetemperaturepurpose.TheresultofthestudyshowsthatLD’temperaturecanbesetarbitrarilyintherangefrom20℃～30℃.Inthiscase,theprecisionofcontrollingtemperaturecanachieve0.1℃.ThistemperaturecontrolsystemprovideagoodtemperturecontrolsolutionforthesmallormiddlepowerLDtemperaturecontrol
Keywords:
LaserDiode,SemiconductorCooling,Automatic
目录
第一章绪论1
1.1本课题的意义1
1.2半导体激光器泵浦的固体激光器温度控制系统的现状2
1.3半导体激光温度控制系统研究的趋势5
1.4本章小结5
第二章半导体激光器的温度特性6
2.1半导体激光器的工作原理6
2.2温度对LD特性的影响7
2.3温度对半导体激光器阈值特性的影响9
2.4温度对半导体激光器纵模谱的影响11
2.5温度对半导体激光器线宽的影响12
2.6本章小结12
第三章常用的控制原理及方案14
3.1半导体激光器的制冷14
3.2常用的系统控制方法15
3.2.1开环控制系统15
3.2.2闭环控制单元15
3.3常用的LD温度控制方法16
3.4采样系统的分析设计17
3.5LD温度控制系统的方案设计19
3.6本章小结20
第四章硬件电路的设计21
4.1温度采集系统的硬件构成21
4.1.1温度传感器的选择21
4.1.2温度传感系统的电源23
4.2显示电路的设计24
4.3TEC（ThermoelecticCooler）驱动电路设计27
4.3.1半导体制冷器TEC27
4.3.2制冷/制热系统的工作原理31
4.4单片机单元35
4.5软件综述36
4.6本章小结39
第五章总结和展望40
5．1总结40
5.2展望41
5.3本章小结42
文献参考：
43
致谢45
附录46
第一章绪论
激光器的发明无疑是科学史上最伟大的发明之一，1960年5月，美国休斯顿实验室的物理学家梅曼（T.H.Mainmna）正式宣布制成红宝石激光器，开创了激光技术的先河。
激光在现代工业、农业、医学、通讯、国防、科学等方面有着广泛的应用，这与激光具有高亮度、高单色性、高方向性分不开。
由于激光器有这些优点，促使人们研制更好的激光器，推动了激光器的发展。
1.1本课题的意义
半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，除了他的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，体积小、重量轻、寿命长，还具有以下特点：
（1）直接电注入使其有高的量子效率，可以通过调整分组和控制温度从得到与常用的固体激光材料相匹配的波长。
（2）LD可用来泵浦含有不同激活粒子的固体激光材料，丰富了相干光源的谱线。
（3）能直接调制以及与其他半导体集成器件的集成能力强。
这些优点使得LD被广泛应用于各种领域。
LD的最主要应用领域是Gb局域网，850mn波长的LD适用于1Gb局域网，1300mn～1550mn波长的LD适用于10Gb的局域网系统。
LD的应用覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学技术的核心技术。
LD在激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用，形成了广阔的市场。
1978年，LD开始应用于光纤通信系统，它可以作为光纤通信的光源和指示器以及通过大规模集成电路平面工艺组成光电子系统，由于LD有着差小型、高效率和高速工作的优异特点，所以这类器件的发一开始就和光通信技术紧密结合在一起，他在光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存储、光计算机外部设备的耦合等方面有重要的用途。
LD的问世极大的推动了信息光电子技术的发展，到如今，他是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源。
总之，随着LD技术的成熟，LD被广泛的应用于诸多领域。
实现了LD重量轻，寿命长，广泛应用的特点
1.2半导体激光器泵浦的固体激光器温度控制系统的现状
我国激光器的研制工作起步比较早，在激光技术的理论研究方面并不比国外落后。
但我国在激光应用方面同国外先进水平有一定差距，激光器的性能和质量都不如国外产品，这里其中一个原因是由于作为半导体激光器泵浦的固体激光器的两个主要工作部件—泵浦光源、倍频晶体都会受到温度的影响而使性能变差，所以对这两个部分的温度控制就显得尤为重要，而我们的温控系统较之国外还有一定的差距，这就是我们的激光器的性能在一定程度上受到了影响。
国外的温控设备比较先进，多为功能齐全的智能化产品，价格也非常昂贵，我们在资金缺乏的情况下，也可以研制开发自己的半导体激光器泵浦的固体激光器的温度数字控制系统。
上世纪90年代的中后期，Internet开始普及，光纤通信领域出现了良好的增长势头。
在国外，世界上许多著名的IT公司，例如阿尔卡特光电子Liner等，均研制出了各种新型光调制器、激光光源和光电探测器。
在国内中兴、华为等大型通讯设备制造商也将研究光纤通信产品作为了公司的重点战略。
今后，随着光纤网络的迅速发展，市场对光纤通信器件的需求量将会越来越大。
半导体激光器作为光电子系统的核心器件，具有了相当大的开发、研究意义以及市场潜力。
对于半导体激光器的温度控制系统，国内外很多学校、研究所与公司都在进行研究和开发。
针对目前国内外的恒温控制系统的现状，我们做了以下分析：
在国外方面，欧司朗光电半导体成功研发直接发光绿色氮化锢稼激光器，标志着实验室研究取得重大突破。
该款激光器的激光输出功率高达50mW，能发射波长为515nm的真绿光线。
与目前采用倍频技术的半导体激光器相比，直接发光绿色激光器体积更小，温度稳定性更高，调制能力更强，更易于控制。
法国Oxxius的工程师开发了一种专利性单片电路振荡器，制造了一款独特的二极管泵浦固态激光器，能够满足上述三个指标。
该激光器能够替换目前在紫外和可见光领域的传统气体激光器。
更重要的是，它的紧凑式设计允许被集成到分析仪器当中，开辟了在生物光学和光谱学领域的新应用。
当前，在制造激光器温度控制器产品的国外公司中，处于领先水平的主要有：
IXLight，WAVELENGTH，McShane，THORLABS和LineaTechnology等一些公司。
IXLight公司生产的恒温控制器主要型号有LD5525系列、LD3700系列；WAVELENGTH公司的恒温控制器产品的主要型号有MPT系列、PID系列、HTC系列和FPT系列；McShane公司的恒温控制器的主要型号有5C7系列；THORLABS公司的恒温控制器产品主要型号有TEC2000系列Liner以及AnalogDevices等公司都推出了专用的热电制冷控制器芯片，例如Liner公司的LTC1923，AnalogDevices公司的ADN8830，TI公司的DRV593等。
在上述的这些控制器中，我们以IXLight公司的LD3700（台式机）为例给以说明，它的特点是：
由数字器件和模拟器件组成，可以任意选择RTD热敏电阻、LM335或AD590作为温度传感器。
增加了GPIB/IEEE-488接口，能实现和微机的双向通讯。
通过微机界面或者前面板均可对整机进行自校正、自检，增加了系统的运行可靠性，有效地保护了半导体激光器二极管的安全。
半导体制冷器具有独立的限流电路，若超过限定电流，会亮起报警指示灯。
采用过热保护电路，在温控器失灵时，激光器二极管依旧安全。
国内专门生产用于保持激光器恒温的控制器比较少，产品基本为时间比例调节、固定参数PID调节等。
目前国内研究较好的是七O九所。
七O九所技术人员在100W激光电源的研发过程中，采用基于DSP控制的PWM高压高频开关模式与电压电流双闭环控制方式，大大提高了电源控制精度，增加电源运作稳定性，成功解决了激光电源高压磁场干扰、波形震荡、启辉控制、启落时间、散热的技术困难。
该型电源具有较宽的输出范围和较佳的恒流匹配效果，能够有效提高配套激光管的寿命和激光器整机性能，并具有过压保护、过流保护、开路保护、短路保护、水流保护等功能，工作温升低、效率高，安全性好。
除此之外还有中国科学院安徽光学精密机械研究所利用数字式温度传感器DS18B20制造了大功率半导体激光器恒温致冷系统，控温精度达到±0.1℃；中国工程物理研究院流体物理研究所江孝国等人采用PID控制技术，研制的半导体激光器用温度控制系统，在18℃至25℃温度范围内，温控的稳定度高于±0.1℃；天津大学精密仪器与光电子工程学院周瑜等人采用热敏电阻作为测温元件，用半导体致冷器作为温控执行元件，利用高共模抑制比、高输入阻抗的运算放大器和模拟PID，研制出了一种半导体激光器用高精度温度控制仪，该控制精度可高达±0.05℃。
鞍山核心电子技术有限公司研制出超低噪声电源:
具有可变恒流输出特性（可变电流值100mA、200mA、250mA、500mA、1A）。
并且正在研发另外一种高效率、高稳定度的电源（效率大于等于90%）:
恒流输出范围（1A，2A，4A，6A）。
2009年9月1日，来自美国和中国的科学家联合研制出世界最小的半导体激光器这项被称为“表面等离子体激光技术”的研究，在激光物理学界堪称里程碑，于八月三十日在《自然》杂志上刊登，由加州大学伯克利分校华裔教授张翔率领的研究团队、北京大学戴伦教授及其博士生马仁敏共同完成。
纵观上述材料可以看到国外的半导体激光器温控系统的开发已经取得了较好的成果，而国内的研发与其相比还存在差距，特别在小型精密温控器方面。
1.3半导体激光温度控制系统研究的趋势
目前，随着计算机技术，传感器技术的迅速发展，温度控制系统也有了很大的变化。
具有以下特点:
（1）前端采用各种新型的传感器作为探测器，大大的提高了整个系统的测量精度，并且给许多物理参数的测量带来了新的方法。
（2）采用以微型计算机为核心的数字化处理技术。
计算机技术的应用给测控仪器带来了巨大的变化，模拟量转化为数字量之后，计算机可以对数字量做各种变换处理，永久存储记录，远近距离传输，多种方式结果输出等，在控制方面可以采用先进的控制技术，使系统的动态性能得以优化，并使人机对话更加方便，使测控仪器自动化，智能化。
（3）功能繁多，综合测量，并且具有标准的输入输出接口，便于和其他设备互联。
可实现多变量协调控制。
以上这些特点，反映了测控仪器的发展方向，同样也反映了半导体激光器泵浦的固体激光器温度控制系统的发展趋势。
促使我们为课题的发展奠定了方向。
1.4本章小结
本章节主要讲述了半导体激光器温度控制的及半导体温度控制系统的发展现状和发展趋势，简明扼要的讲述了半导体激光器的研究现状，从国内外的研究情况入手，分析了激光器温度控制的研究方向，为后文的设计指定了一个方向。
第二章半导体激光器的温度特性
半导体激光器在固体激光器泵浦、材料加工疗、光信息处理等方面有广泛的应用。
从应用角出发，人们要求激光器的性能稳定。
而半导体激器对温度敏感，因此对半导体激光器热特性参数量具有重要的意义。
2.1半导体激光器的工作原理
半导体激光器是一种以直接带隙的半导体材料构成的PN结或PIN结为工作物质的小型化激光器。
半导体激光器主要有电注入式、光泵式和高能电子束激励式这三种激励方式。
其中采用电注入式的激励方式的半导体激光器占绝大多数，即给PN结加上一个正向电压，从而在结平面区域使其产生受激幅射，也就是说这相当于一个正向偏置的二极管，因此半导体激光器又被称为半导体激光二极管。
对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁，而不是在分立的能级之间跃迁，所以跃迁能量不是个确定值，这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上。
它们所发出的波长在0.3～34um之间，其波长范围决定于所用材料的能带间隙。
半导体激光器形成激光的必要条件与其激光器相同，也须满足粒子数反转、谐振、阈值增益等条件，半导体中的电子与光子间的相互作用亦有三个基本过程—受激吸收、自发辐射和受激辐射，但是这三类电子跃迁发生在半导体材料导带中的电子态和价带中的空穴之间，而不像原子、分子、离子激光器那样发生在两个确定的能级之间。
图2.1.1半导体激光器典型结构
如图2.1.1所示，是一个典型的半导体激光器的结构。
可以看出其由P型和N型两种带隙能量较高的半导体材料和一层非常薄的有源层构成。
在这种简单的三层结构中，有源层的典型厚度为0.1～0.2um，在图2.1.1中，施加正向电压使PN结正向偏置，电子和空穴分别从N型和P型区域注入，因为存在由带隙差产生的异质结势垒，注入到有源层中的电子和空穴没有扩散，而是被限制在很薄的有源层中，这样就容易实现粒子束反转，为有效地进行光受激辐射放大提供了有利的条件。
激光器产生激光的前提条件除了粒子数反转分布之外，不需要满足闭值条件，即必须使增益系数大于闭值。
2.2温度对LD特性的影响
尽管LD是高效率的电子——光子转换器件，但由于不可避免的地存在各种非辐射复合损耗、自由载流子吸收等损耗机制，使其微分量子效率只能到到20%～30%，这意味着当部分注入的功率将转换为热量，引起激光器升温。
温度的升高会使激光器的阈值电流增加、发射波长红移、造成模式的不稳定、增加内部缺陷、严重地影响器件的寿命，给应用带来很大困难。
如不将所产生的热量移去，将造成一种恶性循环，使激光器很快失效。
例如，波长为78Onm，输出功率为3mW的GaAIAs激光器，波长随温度增加的红移量为0.26nm/℃。
试验表明，温度每增加25℃，其器件寿命减少一半，即使工作电流在数十毫安的半导体激光器，它却承受了
左右的电流密度和相当大的热耗散功率密度。
半导体激光器的热状态与其工作方式有关，一般有以下三种工作方式:
（l）在直流驱动下的连续工作；
（2）直流偏置在阈值附近的小信号调制；
（3）在脉冲状态下工作。
常将具有高占空比的脉冲工作方式称为准连续
（QCW）。
先讨论脉冲工作方式的半导体激光器，将连续工作看成是脉冲工作方式的一个特例（占空比为1）。
激光器所产生的热耗散功率为：
（2.2.1）
式中，I和V分别为加于半导体激光器上的脉冲峰值工作电流和相应的电压；
为串联电阻；
为输出的光脉冲峰值功率，
为脉冲宽度；f为脉冲重复频率;
f称为占空比。
脉冲峰值功率凡与占空比下f之积为平均光功率。
热量在半导体上积聚，导致半导体温度升高，影响半导体激光器的各种性能。
在激光二极管泵浦固体激光器中，为实现对激光品体的谱线拟合，必须调整激光二极管的输出波长及其与激光晶体的吸收峰值匹配。
激光下极管的输出波长主要由其掺杂浓度、工作电流和工作温度决定。
由于LD有源层材料的禁带宽度随着温度升高而变窄，使波长漂移，移动量与器件的结构和有源区材料有关，约为0.2～0.3nm/℃，在电流恒定的情况卜，温度侮升高1℃，激光波长将增加大约0.2～0.3nm。
因此需要将温度控制在激光器适合的温度下，并使温度起伏小于0.2℃，这样才能使激光器输出稳定的波长。
因此，可以用适当的温度控制来微调激光的峰值波长，以满足对波长的严格要求。
正常工作时，中大功率激光二极管的热耗很大，约占总功耗的50%～75%。
若不能及时散热，就会使芯片温度急剧升高，输出功率严重下降，并影响使用寿命。
粗略估计，壳温升高30℃，寿命就减少一个数最级。
激光二极管最大输出功率以及功率波动都与温度有关。
温度的升高将引起阈值电流增大，进一步使输出功率下降，功率波动变大。
理想情况下，半导体激光器的P—I关系是线性曲线，温度的变化将引起激光二极管的P—I特性曲线非线性崎变，这对于调制激光二极管不利。
所以，必须给激光二极管提供恒定而且能够精密调整的工作温度，才能保证激光二极管稳定地工作。
综上所述，温度对半导体激光器二极管的参数如波长、寿命、输出功率等都有很大的影响，所以为了激光器的广泛应用，使用者需要对其温度的稳定采取相应的控制措施。
2.3温度对半导体激光器阈值特性的影响
半导体的特性对温度是很灵敏的，温度的变化对半导体激光器的阈值产生明显的影响。
温度升高，半导体激光器的阈值电流密度或阈值电流升高，增大的幅度随不同激光器的材料体系和器件结构而异。
因影响半导体温度特性的因素很多，不可能有一个统一的公式来概括所有影响半导体激光器阈值电流密度
（2.3.1）
式中，
为室温；
和
分别为在某一温度T和室温
下所测的阈值电流密度；
是一个由实验拟合的参数。
对阈值电流，上式也同样成立。
在脉冲测量
（只要脉冲宽度为1μS，占空比在1%以下，所测数据就可认为与热沉特性无关）时，只要画出
与T的关系曲线就可得出
。
它是表征半导体激光器温度稳定性的重要参数，称为特征温度，它取决于激光器的材料和器件结构。
由上式可看出，若能使
，则半导体激光器的阈值电流不随温度变化，这当然是理想化的情况，而如何提高
始终是对半导体激光器的一个重要研究课题。
阈值电流对温度的依赖关系主要来自于下列因素：
（1）与温度有关的载流子统计分布影响着激光器的增益系数；
（2）由于载流子的俄歇复合、载流子与异质结界面态和半导体材料表面态的复合以及自由载流子吸收等引起的内部损耗与温度的关系；
（3）由于载流子随能量的统计分布和异质结有限的势垒引起的热载流子漏泄。
通过很好的材料生长工艺和器件结构设计可以减少界面态、表面态的影响，而俄歇复合和热载流子漏泄则成为主要影响因素。
半导体激光器有源层材料的禁带宽度（相应的激射波长）对俄歇复合速率产生决定性的影响，因而长波长（如光纤通信的1300nm、1550nm窗口）半导体激光器相对于短波长半导体激光器有严重得多的俄歇复合，其中以CHHS俄歇复合随温度的变化尤为明显。
例如，对InGaAsP/Inp异质结构激光器来说，CHHS俄歇复合系数由100K温度时的
（×
）变化到400K的3.97（×
）;而对同样的温度变化量，CCHC俄歇复合只是从2.95（×
）增加到4.71（×
）。
热载流漏泻取决于对载流子限制的异质结势垒高度，主要由导带和价带的不连续
和
决定。
由于晶格匹配要求的限制，即使在允许晶格失配率较大的应变超晶格中，也只能使
和
在一有限的数值范围内，其值的大小以及
和
与异质结构两边带隙
的比率取决于构成异质结材料的电子亲和势。
由Ⅲ---V族化合物半导体所构成的异质结两边材料组分差别较大，创门的电子亲和势也有较大差别，有相对较大的
和
，例如Ga0.7A10.3As/GaAs（
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