針對(duì)通信設(shè)備的半導(dǎo)體激光器溫度控制電路進(jìn)行建模與分析 - 全文

本文對(duì)用于通信設(shè)備的半導(dǎo)體激光器溫度控制電路進(jìn)行了模型建立和分析，并從自動(dòng)控制的角度對(duì)溫控電路形式進(jìn)行了詳細(xì)的性能指標(biāo)分析和測試，通過對(duì)不同的控制方法的仿真分析和實(shí)測數(shù)據(jù)的對(duì)比得出了一種較為有效的溫度控制電路，可以滿足一般溫控系統(tǒng)的要求。

在光纖通信領(lǐng)域，通常使用半導(dǎo)體激光器作為光源，而半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長與管芯的溫度密切相關(guān)，溫度升高將導(dǎo)致波長變長（一般為0.1nm℃），對(duì)于一般的單波長光通信系統(tǒng)來說，波長的漂移對(duì)系統(tǒng)性能并無太大影響。但對(duì)于密集波分復(fù)用系統(tǒng)（DWDM），由于通道間的波長間隔已經(jīng)很小，保持波長的穩(wěn)定就變得非常重要。例如，工作在C波段的32波系統(tǒng)，通路波長間隔為100GHz（約0.8nm），而工作在C+L波段的160波系統(tǒng)，通路波長間隔為50GHz（約0.4nm）。因此，如果不對(duì)激光器管芯的溫度加以控制，微小的溫度變化將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的不可用。另外，半導(dǎo)體激光器是對(duì)溫度敏感的器件，其閾值電流、輸出波長以及輸出光功率的穩(wěn)定性都對(duì)溫度非常敏感，其工作壽命也與其工作溫度密切相關(guān)。

實(shí)驗(yàn)表明，溫度每升高30℃激光器的壽命會(huì)降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于可靠性要求高的場合，且保證激光器的壽命就需要對(duì)管芯溫度加以控制，這樣在系統(tǒng)中就需要附加一個(gè)自動(dòng)溫度控制電路（ATC）來實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器管芯的溫度控制。

1.溫度控制系統(tǒng)原理

如圖1是一個(gè)典型的溫度控制系統(tǒng)原理框圖，傳感器將測量到的實(shí)際溫度值與設(shè)定溫度值進(jìn)行比較得出誤差信號(hào)，誤差信號(hào)送入控制器并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于反饋的作用，使得整個(gè)系統(tǒng)的溫度始終穩(wěn)定在設(shè)定值上。

在光通信系統(tǒng)中，一般有兩類光源需要進(jìn)行溫度控制。一類是作為通信光源用的激光器，一類是泵浦激光器，而在這兩類光器件中，通常都集成了用于構(gòu)成溫度控制電路的熱敏電阻和熱電致冷器（TEC：

進(jìn)行致冷或致熱）。

那么，外圍電路就需要完成溫度檢測信號(hào)的放大，經(jīng)過適當(dāng)?shù)目刂破麟娐泛螅ㄟ^功率放大器去驅(qū)動(dòng)TEC致冷器完成溫控過程。因此，溫控電路主要的環(huán)節(jié)有：

溫度信號(hào)檢測放大電路、控制器電路以及功率放大電路等。

2.熱模型的建立

一般帶致冷激光器的常見結(jié)構(gòu)是首先將激光器、背光管、熱敏電阻等組件安裝在一個(gè)子熱沉上，然后再固定到TEC制冷器上，當(dāng)溫控電路正常工作時(shí)，位于TEC上的子熱沉將恒定在某一設(shè)定溫度值。當(dāng)給TEC致冷器通不同極性的電流時(shí)能夠分別實(shí)現(xiàn)致冷或致熱，無論處于致冷還是致熱狀態(tài)，溫度都不會(huì)突變，而是一個(gè)緩慢變化的過程。而在一定的電流下，當(dāng)時(shí)間足夠長時(shí)由于外界的熱交換達(dá)到了平衡狀態(tài)，溫度將維持在某一個(gè)值（即與殼體間的恒定溫差ΔT）。因此可以推測TEC致冷器在傳遞函數(shù)模型上類似于一階慣性環(huán)節(jié)為了確定Ktec和Ttec，以某恒定電流作為TEC致冷器輸入，并通過熱敏電阻檢測溫度的變化，將采集到的溫度與時(shí)間的關(guān)系通過計(jì)算機(jī)繪制得到相應(yīng)的曲線。

以激光器FUJITSU的FLD5F6CXF為例，經(jīng)過測量Ttec可取6秒，Ktec可取90，即1安培電流能獲得的溫差約為90℃。由于TEC致冷器和溫度傳感器之間存在一定的距離，所以還需考慮這種距離帶來的溫度延遲時(shí)間，被測的FUJITSU激光器的熱延遲時(shí)間t大約為100毫秒左右，由于延遲的存在，相當(dāng)于在控制回路中增加了一個(gè)延遲環(huán)節(jié)。

3.溫度檢測及放大電路

3.1熱敏電阻

為了檢測激光器管芯的溫度，激光器中通常在TEC致冷器上集成了一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻（NTC）來作為溫度傳感器，其電阻值與溫度間的關(guān)系為：

（其中：β為熱敏元件的材料常數(shù)；T、T0為開氏溫度；RT、R0對(duì)應(yīng)于T、T0下的熱敏電阻阻值。）根據(jù)器件硬件手冊(cè)上給出的β常數(shù)以及25℃時(shí)熱敏電阻的阻值，由式1便可以計(jì)算出任意溫度下熱敏電阻的阻值。熱敏電阻的靈敏度比較高，非線性也很嚴(yán)重。但由于激光器溫度控制電路最終都是穩(wěn)定在某個(gè)溫度點(diǎn)上，而在此溫度范圍內(nèi)，若定義為熱敏電阻的溫度系數(shù)αT，則由式1可得：

由式2可見，αT隨溫度降低而增大。

當(dāng)（T0 =298K即25℃時(shí)），β=3450K時(shí)，在激光器一般的工作溫度25℃（298K）下，αT = 3.885%%℃。當(dāng)溫度變化ΔT時(shí)，電阻值的變化為：

3.2直流電橋

為了將溫度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)一般采用直流電橋來實(shí)現(xiàn)，其原理圖如圖2所示：

Vb為電橋供電電壓，Vout為電橋的輸出，則電橋的輸出電壓為：

時(shí)電橋平衡，電橋輸出為零。一般，為了使電橋靈敏度高，常取電橋上的各個(gè)電阻值相等，即R1 / R2 = R3 / R4 =1.當(dāng)R1為熱敏電阻時(shí)，溫度的變化將引起熱敏電阻阻值的變化，設(shè)為ΔR1，此時(shí)電橋?qū)⑹テ胶狻?/p>

電橋失衡時(shí)的輸出電壓為（將式3代入式4中）：

由于當(dāng)（T0 = 2 9 8 K即2 5℃時(shí)），β=3450K時(shí)，在激光器一般的工作溫度25℃（298K）下，αT = 3.885%%℃。則此時(shí)電橋的輸出為：Vout = 0.0097 -Vb /ΔT.

3.3儀表放大器

由于電橋輸出的信號(hào)幅度較小，需要進(jìn)行放大后再提供給后級(jí)使用，儀表放大器具有較高的輸入阻抗以及精度，所以常用來對(duì)電橋輸出電壓進(jìn)行放大，其電路如圖3所示。其中取R4=R6，R7=R9，R8=R10，此時(shí)增益：

3.4控制器

為了使系統(tǒng)性能指標(biāo)滿足一定的要求，通常需要在系統(tǒng)中引入合適的附加裝置，它的作用通常是對(duì)系統(tǒng)中的誤差信號(hào)進(jìn)行比例、積分、微分等運(yùn)算，形成適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)，以獲得滿意的控制性能。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)了比例-積分（PI）控制器，其原理圖如圖3所示。

3.5 TEC功率放大器

由于TEC致冷器是一個(gè)功率器件（溫差較大時(shí)驅(qū)動(dòng)電流需要超過1安培以上），因此，溫度誤差信號(hào)經(jīng)過放大和處理以后需要功率驅(qū)動(dòng)級(jí)對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)［6］.TEC功率驅(qū)動(dòng)器是由兩個(gè)三極管構(gòu)成的互補(bǔ)型功率放大電路（OCL），原理圖如圖3所示。其傳遞函數(shù)模型可以理解為一個(gè)增益環(huán)節(jié)。

4.溫度控制電路的分析

本設(shè)計(jì)中采用的比例-積分控制器

根據(jù)溫度控制電路圖可畫出其控制系統(tǒng)框圖，如圖4所示：

設(shè)K =αT* V b* K t e c* A（式中：αT為熱敏電阻的溫度系數(shù)，Vb為電橋電壓，Ktec為致冷效率，A為環(huán)路中各放大環(huán)節(jié)的總增益），實(shí)驗(yàn)中采用的F U J I T S U激光器，T E C時(shí)間常數(shù)T t e c= 6 s，延遲時(shí)間為100毫秒，致冷效率Ktec=45℃。V，熱敏電阻的溫度系數(shù)αT=0.0097（25℃時(shí)），電橋電壓2.5V，環(huán)路中各放大環(huán)節(jié)的總增益為A，所以環(huán)路總增益K=αT*Vb*Ktec*A=0.0097*2.5*45*7*10=78，Kp=15/22、Ki=100/22，Ti=4.7.系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的環(huán)路增益為A（Kp+Ki）=78（15+100）/22=407，此時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差等于1 /A（Kp+Ki）=0.0024，如果想取得更小的穩(wěn)態(tài)誤差，可適當(dāng)增加Ki以及Ti的值。

5.溫度控制電路設(shè)計(jì)總結(jié)

測試中分別采用了比例控制器、積分控制器和比例-積分控制器進(jìn)行了試驗(yàn)，采用比例控制器系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間快，但穩(wěn)定性很難控制；采用積分控制器系統(tǒng)穩(wěn)定性相對(duì)于比例控制器有所提高，但是系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間將變得非常緩慢；采用比例-積分（PI）控制器系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間有了很大改善，系統(tǒng)的的穩(wěn)定性較好（圖5為PI控制器上電階躍響應(yīng)實(shí)測圖），對(duì)于一般的溫控系統(tǒng)，這樣的動(dòng)態(tài)性能已能滿足需求。

對(duì)于需要較快速響應(yīng)的場合，可考慮采用比例-積分-微分（PID）控制器，通過增加微分環(huán)節(jié)來提高系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。

另外，考慮到不同廠家不同型號(hào)或同一廠家不同型號(hào)的激光器在性能參數(shù)上都存在差異，以及放大電路的溫度漂移、非線性等，這些都對(duì)溫控電路參數(shù)有一定的影響，因此在實(shí)際應(yīng)用中溫度控制電路的各個(gè)參數(shù)需要根據(jù)所選用的激光器來選取，并結(jié)合仿真以及試驗(yàn)將參數(shù)調(diào)節(jié)到最佳值。