高精度垂直腔面發射激光器自動溫控系統設計

張毅博 吳紅芳 姚騰飛

摘 要 依附于半導體致冷器的溫控原理，分析了以半導體致冷器ADN8831為基礎的溫控系統電路設計，在此基礎上匹配于實際，對垂直腔面發射激光器在溫控環境中的工作情況與溫控水平予以測試。結果顯示：垂直腔面發射激光器在溫控環境中工作狀態平穩，且性能不受影響；而我們研發的自動溫控系統具有一定的控制精度，超過0.01攝氏度，同時有較快的響應速率，適用于垂直腔面發射激光器的溫控要求。

【關鍵詞】高精度 VCSEL激光器 自動溫控系統 研發

較之常規的激光器，VCSEL（垂直腔面發射激光器）的優勢包括下述幾方面：單縱模工作、相對較小的threshold current以及High modulation frequency。因此，垂直腔面發射激光器被醫療、光通信以及光電等領域所廣泛應用。Coherent Population Trapping的應用研究，其中包括相干布居數囚禁原子鐘以及相干布居數囚禁磁測等，均需小線寬、High modulation frequency的Coherent light source，垂直腔面發射激光器即首選光源。而溫度對高精度VCSEL的輸出能力具有較大的作用，功率及波長都和溫度存在內質聯系。文章將以淺析高精度垂直腔面發射激光器自動溫控系統設計作為切入點，在此基礎上予以深入的探究，相關內容如下所述。

1 半導體制冷器的溫度控制簡述

此次研究的Driven control器件為七百九十五納米波長的單模垂直腔面發射激光Diode，即為Current driver，同時內部集成了用于溫度檢測的NTC熱敏電阻，同時還集成了能夠予以溫度控制的半導體熱電制冷器。

半導體致冷器即為半導體型P-N結器件，其在電流以差異化的方向通過各金屬材料結的過程中，可以對與其接觸的物體予以制熱及制冷。因為電子在金屬內的能量不得超過N型semiconductor內的能量，因此，在電子通過金屬流入N型semiconductor中要吸收一定的能量，同時流出則放出能量，P型semiconductor則和N型相反。通過半導體致冷器予以溫度控制時，要Thermistors作為同步溫度檢測器件。經負溫度系數PTC，NTC對激光器的管芯溫度予以測量，同時與相適應的溫度參數予以對比，進而生成一個偏壓信號。此偏壓信號經Differential amplifier予以放大，在此基礎上經補償網絡對其予以反饋及補償。最后，通過補償的信號控制網絡輸出電流。在同步溫度沒有大于標定溫度時，橋網絡向TEC加熱端傳輸驅動電流，因此提升溫度。

2 依附于ADN8831的自動溫控系統設計

要實現TEC的有效控制，需擇取以Microcontrollers為核心輔以關聯器件的形式去設計控制機制。Microcontrollers設計需加設單儀器模數轉換器及高精度Differential amplifier等配套器件，其問題在于集成度低，同時調試具有一定的的局限性；不過集成化TEC具有一定的集成性，至要配置幾個輔件即可，同時可以很好的進行溫控，也便于調試。因此，此次研究擇取了單芯片半導體致冷控制器方案，器件選用ADN8831。

ADN8831的偏差放大電路擇取高精度Differential amplifier作為輸入級，Differential amplifier可分辨與一定伏值的電壓差異，而且具有自校正與歸零的功能；ADN8831具有內建PID控制系統，在使用的時候，只要通過外接電阻即可達到PID的整體控制需求，通過PID網絡的數據調節能夠深化系統的響應； crystal oscillator經調節匹配電阻，因此調節系統的開關；通過遏制控制器的可以限制TEC的極值電壓，從根本確保了溫控系統的穩定性；而且，對周邊半導體場效晶體管的驅動擇取了一半開關輸出一半線性輸出的技術，從根本降低了輸出電流紋波，進而深化工作有效性。

3 測試與結果

通過以上設計，匹配恒流源電路對VCSEL予以驅動，在此基礎上對溫控程度予以測試。匹配于所驅動VCSEL的工作溫度區間，測定了常溫環境中垂直腔面發射激光器在三十攝氏度至八十五攝氏度區間的溫控性能。結果見圖3，即溫控平衡狀態下ADN8831的引腳4與5之間的壓差曲線。依附于數據手冊，壓差在大小介于一百毫伏間即處于穩定，而壓差越低證明其溫控精度越高。按實測參數分析，工作在三十攝氏度環境下，因為和室溫差距較小，溫控壓差基本為零。而處于三十攝氏度至八十五攝氏度之間，穩定壓差0.122毫伏，這也從側面印證了實際溫控具有較高的精度。

垂直腔面發射激光器的光強曲線，以四十攝氏度與八十攝氏度的測試參數為基礎，激光功率降低比率為32%，但是垂直腔面發射激光器標定衰減比率則為33%，通過此數據我們不難發現，垂直腔面發射激光器在溫控中輸出功率的實測衰減量匹配于出廠標定，由此可見溫控電路的優越性。

伴隨垂直腔面發射激光器的工作設定溫度持續增加，其與附近環境的熱耗散也呈幾何形遞增，因此，為了穩定設定溫度，TEC所消耗的功率也在持續提高。較之垂直腔面發射激光器生產商所提供的半導體致冷器性能曲線，實測的TEC電流曲線匹配于TEC性能標定曲線，由此說明，設計的溫控系統性能良好。

4 總結

綜上所述，此次研究我們設計了一種高精度VCSEL自動溫度控制系統，此系統具有高集成性、低功耗、便于調節等優勢。試驗證實，此溫控系統溫控精度超過0.01 攝氏度，且具有較快的響應速率，可以很好的達到垂直腔面發射激光器精密溫控的需求。

參考文獻

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作者簡介

張毅博（1988-），男，江蘇省揚州市人。大學本科學歷。助理工程師。主要研究方向為電子裝配、電子測試、信號采集。

作者單位

凱邁（洛陽）測控有限公司 河南省洛陽市 471009