半导体激光器的温控电路分析.docx

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半导体激光器的温控电路分析

半导体激光器的温控电路分析

余登荣

摘要半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件。

其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。

本文首先阐述了半导体激光器的基本结构，通常激光器都是由三部分组成：

激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔。

半导体激光器虽说属于一种固体激光器，但它是使用注入电流的方法，依靠电流流经介质产生电子和空穴的复合过程形成光辐射，因此，不需要外部的泵浦源。

然后分析了半导体热电致冷器（TEC）的基本工作原理，它是以帕尔帖效应为基础，当电流流过TEC时，热量由TEC的一侧传送到另一侧，表现为其一端致冷，另一端加热；接着介绍了PWM驱动原理和PID温度补偿控制的原理，在整个调节器中，比例、积分和微分的控制作用是关联的关系，参数可以分别调节，也可以只采用其中的一到两种控制规律，最后通过对几种驱动原理和PID温度补偿控制原理的学习，进而对线性功率管温控电路、MAXl978构成的温控电路及ADN8830构成的温控电路进行了分析。

关键词温度控制热电致冷器线性功率管PID温度补偿控制

Temperaturecontrolcircuitofsemiconductorlasers

YuDengrong

Abstract：

Semiconductorlaserarepartsofanapparatuswhichbasedoncertainsemiconductormaterialsasworksubstance,anditisproducedbythestimulatedemission,itsworkingprincipleisbywayofcertainincentives,betweenthebandofsemiconductormaterial（conductionbandandvalenceband）,orbetweenthebandofsemiconductormaterialandimpurityband（acceptorordonor）,toachievenon-equilibriumcarrierpopulationinversion,whentheelectronwhichisinthestateofinversionofparticlesandelectronmix,theroleofstimulatedemission arises.

Thispaperdescribesthebasicstructureofsemiconductorlaser.Lasersareusuallycomposedofthreeparts:

laserworkmaterial,thepumpsourceandopticalresonantcavity.Althoughsemiconductorlaserisakindsolidlaser,itusesthewayofinjectioncavitywhile currentflowsthroughthemediatorsandform alight radiationTherefore,doesn'trequireanexternal pumpsource,thenthispaperanalyzesthebasicworkingprincipleofthesemiconductor,thermoelectriccooler（TEC）.ItisbasedonPeltiereffectwhenthecurrentflowsthroughtheTEC,theheattransfersfromonesideofTECtotheother.Oneendoftheperformanceoftheirrefrigeration,heatingtheotherend,then,itcontinuestointroducethePWMdrivingprincipleandtheprincipleoftemperaturecompensationcontrol ofPID.Inthewholeregulator,thecontrolactionofproportion,integralandderivativeisassociated.Parameterscanbeadjustedseparately,youcanuseonetotwo kindsofcontrollawsofthem.Finally,bythestudyofseveralderivingprinciplesandtheprincipleoftemperaturecompensationcontrolofPID,thencontinuingtoanalyzethetemperaturecontrolcircuitforlinerpowercontrol,thetemperaturecontrolcircuitformedbyMAX1987andthetemperaturecontrolcircuitcomposedbyADN8830.

Keywords：

TemperaturecontrolThermoelectricCoolerLinearpowertransistorTemperaturecompensationcontrolofPID

中文摘要……………………………………………………………………………………（Ⅰ）

英文摘要……………………………………………………………………………………（Ⅱ）

第一章绪论………………………………………………………………………………

（1）

第二章半导体激光器的结构……………………………………………………………（3）

2.1激光器的基本结构………………………………………………………………（3）

2.2半导体激光器……………………………………………………………………（5）

2.3本章小结…………………………………………………………………………（6）

第三章几种常用驱动工作原理及PID温度补偿控制原理……………………………（7）

3.1TEC线性驱动的原理……………………………………………………………（7）

3.2PWM驱动的原理………………………………………………………………（8）

3.2.1受限单极模式………………………………………………………（9）

3.2.2双极控制模式…………………………………………………………（9）

3.2.3受限单极模式加阻尼控制……………………………………………（10）

3.3PID温度补偿控制的原理………………………………………………………（10）

3.4本章小结…………………………………………………………………………（12）

第四章半导体激光器温度控制电路分析………………………………………………（13）

4.1线性功率管温控电路…………………………………………………………（13）

4.2TEC脉冲宽度驱动温控电路…………………………………………………（14）

4.2.1ADN8830构成的温控电路……………………………………………（14）

4.2.2MAX1978构成的温控电路……………………………………………（16）

4.3本章小结………………………………………………………………………（17）

第五章总结……………………………………………………………………………（18）

致谢………………………………………………………………………………………（19）

参考文献……………………………………………………………………………………（20）

第一章绪论

随着信息化社会的到来，高速率信息流的载人、传输、交换、处理及存储成为技术的关键，半导体光电子是这些核心技术的支柱之一，而半导体光电子器件，特别是半导体激光器是心脏。

半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广，目前已超过300种，半导体激光器的最主要应用领域是Gb局域网，850nm波长的半导体激光器适用于1Gb局域网系统；1300nm-1550nm波长的半导体激光器适用于10Gb局域网系统。

半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术.半导体激光器在激光测距、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，半导体激光器开始应用于光纤通信系统，半导体激光器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。

由于半导体激光器有着超小型、高效率和高速工作的优异特点，所以这类器件的发展，一开始就和光通信技术紧密结合在一起，它在光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存贮、光计算机外部设备的光耦合等方面有重要用途。

半导体激光器的问世极大地推动了信息光电子技术的发展，到如今，它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.半导体激光器再加上低损耗光纤，对光纤通信产生了重大影响，并加速了它的发展。

因此，没有半导体激光器的出现，就没有当今的光通信。

GaAs/GaAlAs双异质结激光是光纤通信和大气通信的重要光源，如今，凡是长距离、大容量的光信息传输系统无不都采用分布反馈式半导体激光器（DFB-LD）。

半导体激光器也广泛地应用于光盘技术中，光盘技术是集计算技术、激光技术和数字通信技术于一体的综合性技术，是大容量、高密度、快速有效和低成本的信息存储手段，它需要半导体激光器产生的光束将信息写人和读出。

由此可见，半导体激光器已经是光纤通信、光纤传感、光盘记录存储、光互连、激光打印和印刷、激光分子光谱学以及固定激光器泵浦、光纤放大器泵浦中不可替代的重要光源

。

而在光纤传感器技术高度发展的今天，光纤陀螺被广泛应用于军事和民用领域。

光纤陀螺采用超辐射发光二极管（SLD）光源，精度受SLD光源的稳定性影响

，因此，要求SLD光源具有很高的光功率和光谱稳定性，而SLD光源的稳定性主要受环境温度的影响，在要求半导体激光器输出波长稳定的情况下，必须对其进行高精度的控制。

所以通过了解半导体激光器的热电致冷器（TEC）的基本工作原理，分析TEC线性驱动和PWM驱动的原理以及采用PWM驱动的优点，分析PID温度补偿控制的原理，进而掌握半导体激光器温控电路的工作机制，并对几种常用的半导体激光器温度控制电路的工作原理进行理论分析具有十分重要的意义。

第二章半导体激光器的结构

2.1激光器的基本结构

根据激光产生的条件，通常激光器都是由三部分组成：

激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔，如图2.1-1所示。

图2.1-1激光器的组成

激光工作物质是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用体系，有时也称为激光增益介质。

对激光工作物质主要的要求是尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转，并使这种反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效的保持下去，为此，要求工作物质具有合适的能级结构和跃迁特性。

亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转是非常有利的。

激光工作物质可以是固体（晶体、玻璃）、气体（原子气体、离子气体、分子气体）、半导体和液体等介质。

不同的激光器中，激活粒子可能是原子、分子、离子，但各种物质产生激光的基本原理都是类似的。

激光工作物质决定了激光器能够辐射的激光波长，激光波长由物质中形成激光辐射的两个能级间的跃迁确定。

当前，实验室条件下能够产生激光的物质已有上千种，可产生的激光波长包括从真空紫外到远红外，X射线波段的激光器也正在研究中。

泵浦源的作用是对激光工作物质进行激励，将激活粒子从基态抽运到高能级，以实现粒子数反转。

根据工作物质和激光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装置，常见的有以下4种：

（1）光学激励（光泵浦）。

光泵浦是利用外界光源发出的光来辐照激光工作物质以实现粒子数反转的，整个激励装置，通常是由气体放电光源（如氙灯、氪灯）和聚光器组成。

固体激光器一般采用普通光源（如脉冲氙灯）或是半导体激光器作为泵浦源，对激光工作物质进行光照。

（2）气体放电激励。

对于气体激光工作物质，通常是将气体密封在细玻璃管内，在其两端加电压，通过气体放电的方法来进行激励，整个激励装置通常由放电电极和放电电源组成。

（3）化学激励。

化学激励是利用在激光工作物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转的，通常要求要有适当的化学反应物和相应的引发措施。

（4）核能激励。

核能激励是利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片、高能粒子或放射线来激励激光工作物质并实现粒子数反转的。

从能量的角度看，泵浦过程就是外界提供能量给粒子体系的过程。

激光器中激光能量的来源，是由激励装置从其他形式的能量（诸如光、电、化学、热能等）转化而来。

为了得到连续的激光输出，必然不断地进行泵浦以维持处于上能级的粒子数比下能级多。

最简单的光学谐振腔是由在激活介质两端恰当的放置两个高反射率的反射镜构成的。

其中一块是全反射镜，将光全部反射介质中继续放大；另一块是部分反射、部分透射的反射镜，作为输出镜。

两个反射镜的中心位于激光器的光轴上、且镜面与光轴垂直。

两反射镜之间的距离就是激光器的腔长，两反射镜的曲率半径也是决定谐振腔类型和性质的重要参数。

光学谐振腔主要有以下两个方面的作用：

（1）产生与维持激光振荡。

光学谐振腔的作用首先是增加激光工作介质的有效长度，使得受激辐射过程有可能超过自发辐射而成为主导；同时提供光学正反馈，使激活介质中产生的辐射能够多次通过介质，并且使光束在腔内往返一次过程中由受激方式所提供的增益超过光束所受的损耗，从而使光束在腔内得到放大并维持自激振荡。

（2）控制输出激光束的质量。

激光束的特性与谐振腔结构有着不可分割的联系，谐振腔可以对腔内振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光的高单色性和高方向性。

通过调节光学谐振腔的几何参数，还可以直接控制光束的横向分布特性、光斑大小、振荡频率及光束发散角度等。

除了以上介绍的三个基本组成部分之外，激光器还可以根据不同的使用目的，在谐振腔内或腔外加入对输出激光或光学谐振腔进行调节的光学元件。

例如，实际上激光发射的谱线并不是严格的单色光，而是具有一定的频率宽带，若要选取某一特定波长的光作为激光输出，可以在谐振腔中插入一对F-P标准器；为改变透过的光强，选择波长或光的偏振方向，可在谐振腔中加入滤光器；此外，还有棱镜、偏振器、波片、光隔离器等光学元件，可根据不同的使用目的进行添加。

2.2半导体激光器

半导体激光器也称为半导体激光二极管，或简称激光二极管（LD）。

半导体激光器是由激光工作物质和光学谐振腔两部分组成，半导体激光器虽说属于一种固体激光器，但它是使用注入电流的方法，依靠电流流经介质产生电子和空穴的复合过程形成光辐射，因此，不需要外部的泵浦源。

半导体激光器以半导体材料为工作物质。

其原理是通过电注入进行激励，在半导体物质的能带之间或能带与杂质能级之间，通过激发非平衡载流子而实现粒子数反转，从而产生光的受激辐射放大。

由于半导体材料本身物质结构的特异性，以及半导体材料中电子运动规律的特殊性，使半导体激光器的工作特性有其特殊性。

常用的半导体材料主要有三类：

（1）ⅢA-ⅤA族化合物半导体，如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等。

（2）ⅢB-ⅥA族化合物半导体，如硫化镉（CdS）等。

（3）ⅣA-ⅥA族化合物半导体，如碲锡铅（PbSnTe）等。

根据生成的PN结所用材料和结构的不同，半导体激光器有同质结、异质结（单、双）、量子阱等多种类型。

半导体激光器波长覆盖范围一般在近红外波段（920nm—1.65μm），其中1.3μm与1.55μm为光纤传输的两个窗口，且半导体激光器易于与光纤耦合、易于进行高速电流调制，因此广泛应用于光纤通信系统。

半导体激光器具有能量转换效率高、超小型化、结构简单、使用寿命长（一般可达到十万至百万小时以上）等优点。

广泛应用于光纤通信、光存储、光信息处理、科研、医疗等领域。

2.3本章小结

本章首先介绍了激光器的基本结构，其主要包括激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔三部分。

激光工作物质是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用体系；泵浦源的作用是对激光工作物质进行激励，将激活粒子从基态抽运到高能级，以实现粒子数反转，根据工作物质和激光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装置；最简单的光学谐振腔是在激活介质两端恰当的放置两个高反射率的反射镜构成，其中一块是全反射镜，将光全部反射回介质中继续放大，另一块是部分反射、部分透射的反射镜，作为输出镜，两个反射镜的中心位于激光器的光轴上、且镜面与光轴垂直。

其次本章介绍了半导体激光器，半导体激光器是由激光工作物质和光学谐振腔两部分组成，由于半导体材料本身物质结构的特异性，以及半导体材料中电子运动规律的特殊性，使半导体激光器的工作特性有其特殊性。

根据生成的PN结所用材料和结构的不同，半导体激光器有同质结、异质结（单、双）、量子阱等多种类型。

通过本章的介绍，使我们初步的掌握了激光器的基本结构和半导体激光器。

第三章几种常用驱动工作原理及PID温度补偿控制原理

半导体激光器作为一种新颖的激光光源，因其体积小、易调制、可选光谱范围宽（特别是气体红外和近红外的强吸收带波段）等特点，已被广泛应用于通信、医学和工业计量等各种场合

。

半导体激光器形成激光的必要条件与其他激光器相同，也须满足粒子数反转、阈值增益等条件，而半导体激光器粒子数反转分布条件是在结区导带底（即上能级）被电子占据的概率大于价带顶（即下能级）被电子占据的概率；激光器产生激光的前提条件除了粒子数反转分布之外，还需要满足阈值条件，即必须使增益系数大于阈值。

半导体中的电子与光子间的相互作用有三个基本过程----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。

要了解半导体激光器的工作原理，首先要学习几种常用驱动的工作原理及PID温度补偿控制原理，对此，分别进行介绍。

3.1TEC线性驱动的原理

光纤光源组件由超辐射发光管管芯、半导体热电致冷器（TEC）、负温度系数（NTC）热敏电阻及尾纤组成，结构框图如图3.1-1所示。

TEC工作原理

是以帕尔帖效应（当电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量，这就是帕尔帖效应）为基础，当电流流过TEC时，热量由TEC的一侧传送到另一侧，表现为其一端致冷，另一端加热；如果电流的方向反向，则致冷与加热的两端也会反转。

热敏电阻是由电阻温度系数大的半导体材料制成的电阻元件，电阻温度系数为负值，在高精度温度控制时，温度变化很小，热敏电阻工作在线性区。

温度控制系统通过对热敏电阻的监测，自动调节驱动TEC的电流大小和方向，对光源模块加热或致冷，实现对光源管芯温度控制。

图3.1-1光源组件结构框图

3.2PWM驱动的原理

脉冲宽度调制（PulseWidthModulation-PWM）即指将输出信号的基本周期固定，通过调整基本周期内工作周期的大小来控制输出功率。

图3.2-1所示为H型PWM功率转换电路示意图，该电路主要由4个功率管（图中为MOSFET）和4个续流二极管组成。

根据对这4个功率管的工作状态（导通、截止）控制方式的不同，PWM控制有不同的模式：

受限单极模式、双极控制模式、受限单极加阻尼控制模式。

图3.2-1H型PWM驱动电路

在各种PWM控制模式下，电压平衡方程为

（3.2-1）

式中u为电机端电压；i为电机电流；R为电机等效电阻；L为电机电感；ε为电机感应电动势。

在PWM控制下，电机的电压、电流、感应电动势都是不断变化的，但由于PWM的频率足够高（通常为20kHz以上），在一个开关周期（≤50μs）内各个参量的变化都很小，因此可以用一个周期内的平均感应电动势E、平均电流I和PWM开或关时的平均电流变化率

分别替代瞬时感应电动势ε、瞬时电流i和瞬时电流变化率

。

同时假设电机的平均转矩和负载转矩相同，即系统工作在宏观稳定状态，因此PWM开和关时电流的变化量ΔI相同。

另外，在PWM驱动模式下，可能会出现电流断续现象。

但理论分析可知，在PWM频率为20kHz、电机电阻为0.4Ω、电机电感为1mH的条件下，受限单极模式下电流断续时的最大平均电流为堵转电流（将电机轴固定使其不转动，通电，这时候的电流就是堵转电流）的0.25%，半双极模式下最大断续平均电流为堵转电流的0.5%，都很小。

因此文中不对电流断续时的电机工作情况进行单独分析，认为断续时电流为0。

3.2.1受限单极模式

受限单极模式是目前广泛采用的PWM控制模式。

此模式下有两个控制方向（见图3.2-1），在一个方向上，b、c管截止，a管导通，d管在PWM控制下导通或截止（或d管导通，a管由PWM控制）；在另一个方向上，a、d管截止，b管导通，c管由PWM控制（或c管导通，b管由PWM控制）。

由于受限单极模式的两个控制方向完全对称,因此只分析一个方向上电路的工作情况,并规定此时电压和电流的方向为正。

受限单极模式下电机电压u表达式:

（3.2.1-1）

式中Us为蓄电池电压：

t为时间；α为占空比；T为PWM周期。

将式（3.2.1-1）带入式（3.2-1），并考虑上述假设，得:

（3.2.1-2）

可解得E和

的关系为

（3.2.1-3）

将式（3.2.1-3）中的占空比看作常数，可得不同占空比下电流和感应电动势之间的关系。

3.2.2双极控制模式

双极模式下，图3.2-1中的4个功率管分为2组，a、d为一组，b、c为一组；同一组中的两个功率管同时导通、同时截止，第二组功率管在PWM控制下交替导通和截止

，即一种情况下，b、c管导通，在PWM控制下a管导通，d管截止（或在PWM控制下d管导通，a管截止）；在另一种情况下，b、c管截止，在PWM控制下a管导通，d管截止（或在PWM控制下d管导通，a管截止）。

双极PWM控制可以使电机的工作范围布满4个象限,采用这种控制方式，转向回正过程易于控制且稳定。

但双极控制模式的最大缺点是同侧对管状态切换时存在同时导通（即短路）的可能，需要在切换时加入延时，这会使系统实际工作特性和理论分析有差别，也使得电路复杂，可靠性降低。

因此，这种控制方式实际应用的不多，也不适用于对可靠性要求很高的EPS系统。

3.2.3受限单极模式加阻尼控制

文献

在受限单极模式的基础上，增加了一种阻尼控制模式，即有两个控制方向，在一个方向上，b、c管截止，a管