淺析高精度VCSEL紅外激光器自動(dòng)溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

萬(wàn)金平　黃鴻

【摘 要】依附于半導(dǎo)體致冷器的溫控原理，分析了以半導(dǎo)體致冷器ADN8831為基礎(chǔ)的溫控系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上匹配于實(shí)際，對(duì)垂直腔表面發(fā)射型紅外激光器在溫控環(huán)境中的工作情況與溫控水平予以測(cè)試。結(jié)果顯示： 垂直腔表面發(fā)射型紅外紅外激光器在溫控環(huán)境中工作狀態(tài)平穩(wěn)，且性能不受影響；而我們研發(fā)的自動(dòng)溫控系統(tǒng)具有一定的控制精度，超過(guò)0.01攝氏度，同時(shí)有較快的響應(yīng)速率，適用于垂直腔表面發(fā)射型紅外激光器的溫控要求。

【關(guān)鍵詞】高精度；VCSEL紅外激光器；自動(dòng)溫控系統(tǒng)；研發(fā)

垂直腔表面發(fā)射激光器VCSEL（Vertical cavity surface emitting laser）是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型的有源半導(dǎo)體激光器件。較之常規(guī)的激光器，垂直腔表面發(fā)射型激光器的優(yōu)勢(shì)為：發(fā)散角小、單縱模工作、相對(duì)較小的閾值電流以及高的調(diào)制頻率。目前VCSE激光器的應(yīng)用主要集中在小功率場(chǎng)合，如光通訊，光互連，計(jì)算機(jī)與光信息處理等，但事實(shí)上VCSEL器件的大功率應(yīng)用領(lǐng)域更為廣闊，例如激光測(cè)距，激光雷達(dá)，激光引信和激光醫(yī)療等。由于溫度對(duì)于垂直腔面發(fā)射紅外激光器的輸出能力，如功率、波長(zhǎng)等均存在內(nèi)質(zhì)聯(lián)系，這種聯(lián)系在VCSEL紅外激光器應(yīng)用于大功率應(yīng)用領(lǐng)域時(shí)的影響更為明顯，因此，設(shè)計(jì)高精度的VCSEL激光器自動(dòng)溫控系統(tǒng)，對(duì)于VCSEL紅外激光芯片的穩(wěn)定使用具有重要意義，本文以此作為切入點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上予以深入的探究，相關(guān)內(nèi)容如下所述。

1 半導(dǎo)體制冷器的溫度控制簡(jiǎn)述

此次研究的驅(qū)動(dòng)器件為795nm納米波長(zhǎng)的短波單模垂直腔面發(fā)射紅外激光器，內(nèi)部集成了用于溫度檢測(cè)的NTC熱敏電阻，同時(shí)還集成了能夠予以溫度控制的半導(dǎo)體熱電制冷器。

半導(dǎo)體致冷器即為半導(dǎo)體型P-N結(jié)器件，當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成電偶對(duì)時(shí)，在這個(gè)電路中接通直流電流后，就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端；由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。吸熱和放熱的大小是通過(guò)電流的大小以及半導(dǎo)體材料N、P的元件對(duì)數(shù)來(lái)決定，通過(guò)端口的發(fā)熱或致冷，可以對(duì)其接觸的物體予以制熱及制冷。

本文在對(duì)半導(dǎo)體致冷器進(jìn)行溫度控制時(shí)，使用熱敏電阻做為VCESL紅外激光器管芯溫度的檢測(cè)器件。在此基礎(chǔ)上和需要的溫度值予以對(duì)比進(jìn)而生成一個(gè)偏壓信號(hào)。此偏壓信號(hào)經(jīng)差分放大器予以放大，在此基礎(chǔ)上經(jīng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)對(duì)其予以反饋及補(bǔ)償，最后，通過(guò)補(bǔ)償?shù)男盘?hào)控制網(wǎng)絡(luò)輸出電流。在同步檢測(cè)溫度不超過(guò)設(shè)定溫度參數(shù)的狀態(tài)下，橋網(wǎng)絡(luò)向半導(dǎo)體致冷器加熱端輸出驅(qū)動(dòng)電流，進(jìn)而達(dá)到加熱的目的。

2 依附于ADN8831的自動(dòng)溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體致冷器控制方案，要采用以單片機(jī)為基礎(chǔ)輔助以其他的器件的形式去構(gòu)建控制系統(tǒng)，同樣也能夠通過(guò)集成式半導(dǎo)體致冷控制器予以實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)方案要加設(shè)單儀器模數(shù)轉(zhuǎn)換器及高精度差分放大器等配套器件，其問(wèn)題在于集成度低，同時(shí)調(diào)試具有一定的難度；但是集成化的單芯片半導(dǎo)體致冷控制器具有高集成度，同時(shí)僅需少量輔助器件，且溫控效率更高，也便于調(diào)試。因此，此次研究選取了單芯片半導(dǎo)體致冷控制器方案，器件選用ADN8831。

ADN8831芯片為一種具有高輸出效率、依附于PMW控制模式的單芯片半導(dǎo)體致冷控制器。ADN8831的偏差放大電路取高精度差分放大器作為輸入級(jí)，可區(qū)分超過(guò)100uV電壓偏差，同時(shí)予以自校正及歸零；ADN8831具有內(nèi)建PID控制網(wǎng)絡(luò)環(huán)路，在使用過(guò)程中僅需外接電阻就能夠?qū)崿F(xiàn)精密的PID控制，經(jīng)PID網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)能夠深化系統(tǒng)的響應(yīng)；晶體振蕩器經(jīng)調(diào)節(jié)匹配電阻，進(jìn)而控制系統(tǒng)的開關(guān)頻率；限制控制器能夠限制半導(dǎo)體致冷器的最大加熱、制冷電流與極值電壓，從根本上確保了溫控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，MOSFET驅(qū)動(dòng)器選取了一半開關(guān)輸出一半線性輸出的技術(shù)，從根本降低了輸出電流紋波，進(jìn)而深化驅(qū)動(dòng)器工作有效性。

3 測(cè)試與結(jié)果

通過(guò)以上設(shè)計(jì)，結(jié)合相應(yīng)的恒流源電路對(duì)垂直腔表面發(fā)射激光器予以驅(qū)動(dòng)，在此基礎(chǔ)上對(duì)溫控程度予以測(cè)試。匹配于所驅(qū)動(dòng)的垂直腔表面發(fā)射激光器的工作溫度范圍，測(cè)定了常溫環(huán)境中垂直腔表面發(fā)射激光器在三十?dāng)z氏度至八十五攝氏度區(qū)間的溫控性能。

結(jié)果見(jiàn)圖1，即溫控平衡狀態(tài)下ADN8831的引腳4與5之間的壓差曲線。依附于數(shù)據(jù)手冊(cè)，壓差在大小介于100mV間即處于穩(wěn)定，而壓差越低證明其溫控精度越高。按實(shí)測(cè)參數(shù)分析，工作在三十?dāng)z氏度環(huán)境下，因?yàn)楹褪覝夭罹噍^小，溫控壓差基本為零。而處于三十?dāng)z氏度至八十五攝氏度之間，穩(wěn)定壓差0.122毫伏，這也從側(cè)面印證了實(shí)際溫控具有較高的精度。

圖2是垂直腔表面發(fā)射型紅外激光器的光強(qiáng)曲線，以40℃與80℃的測(cè)試參數(shù)為基礎(chǔ)，激光功率降低比率為32%，但是垂直腔表面發(fā)射紅外激光器標(biāo)定衰減比率則為33%，通過(guò)此數(shù)據(jù)我們不難發(fā)現(xiàn)，垂直腔表面發(fā)射紅外激光器在溫控中輸出功率的實(shí)測(cè)衰減量匹配于出廠標(biāo)定，由此可見(jiàn)溫控電路的優(yōu)越性。

4 總結(jié)

綜上所述，此次研究我們?cè)O(shè)計(jì)了一種高精度垂直腔表面發(fā)射紅外激光器自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)以ADN8831為控制基礎(chǔ)，經(jīng)半導(dǎo)體致冷器去調(diào)控垂直腔表面發(fā)射激光器管芯的工作溫度。較之常規(guī)單片機(jī)結(jié)合模數(shù)轉(zhuǎn)換器的溫控設(shè)計(jì)，此系統(tǒng)具有高集成性、低功耗、便于調(diào)節(jié)等優(yōu)勢(shì)。試驗(yàn)證實(shí)，此溫控系統(tǒng)溫控精度超過(guò)0.01 攝氏度，且具有較快的響應(yīng)速率，可以很好的達(dá)到垂直腔表面發(fā)射激光器精密溫控的需求。

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