高精度垂直腔面发射激光器自动温控系统设计

摘 要 依附于半导体致冷器的温控原理，分析了以半导体致冷器ADN8831为基础的温控系统电路设计，在此基础上匹配于实际，对垂直腔面发射激光器在温控环境中的工作情况与温控水平予以测试。结果显示：垂直腔面发射激光器在温控环境中工作状态平稳，且性能不受影响；而我们研发的自动温控系统具有一定的控制精度，超过0.01摄氏度，同时有较快的响应速率，适用于垂直腔面发射激光器的温控要求。

【关键词】高精度 VCSEL激光器 自动温控系统 研发

较之常规的激光器，VCSEL（垂直腔面发射激光器）的优势包括下述几方面：单纵模工作、相对较小的threshold current以及High modulation frequency。因此，垂直腔面发射激光器被医疗、光通信以及光电等领域所广泛应用。Coherent Population Trapping的应用研究，其中包括相干布居数囚禁原子钟以及相干布居数囚禁磁测等，均需小线宽、High modulation frequency的Coherent light source，垂直腔面发射激光器即首选光源。而温度对高精度VCSEL的输出能力具有较大的作用，功率及波长都和温度存在内质联系。文章将以浅析高精度垂直腔面发射激光器自动温控系统设计作为切入点，在此基础上予以深入的探究，相关内容如下所述。

1 半导体制冷器的温度控制简述

此次研究的Driven control器件为七百九十五纳米波长的单模垂直腔面发射激光Diode，即为Current driver，同时内部集成了用于温度检测的NTC热敏电阻，同时还集成了能够予以温度控制的半导体热电制冷器。

半导体致冷器即为半导体型P-N结器件，其在电流以差异化的方向通过各金属材料结的过程中，可以对与其接触的物体予以制热及制冷。因为电子在金属内的能量不得超过N型semiconductor内的能量，因此，在电子通过金属流入N型semiconductor中要吸收一定的能量，同时流出则放出能量，P型semiconductor则和N型相反。通过半导体致冷器予以温度控制时，要Thermistors作为同步温度检测器件。经负温度系数PTC，NTC对激光器的管芯温度予以测量，同时与相适应的温度参数予以对比，进而生成一个偏压信号。此偏压信号经Differential amplifier予以放大，在此基础上经补偿网络对其予以反馈及补偿。最后，通过补偿的信号控制网络输出电流。在同步温度没有大于标定温度时，桥网络向TEC加热端传输驱动电流，因此提升温度。

2 依附于ADN8831的自动温控系统设计

要实现TEC的有效控制，需择取以Microcontrollers为核心辅以关联器件的形式去设计控制机制。Microcontrollers设计需加设单仪器模数转换器及高精度Differential amplifier等配套器件，其问题在于集成度低，同时调试具有一定的的局限性；不过集成化TEC具有一定的集成性，至要配置几个辅件即可，同时可以很好的进行温控，也便于调试。因此，此次研究择取了单芯片半导体致冷控制器方案，器件选用ADN8831。

ADN8831的偏差放大电路择取高精度Differential amplifier作为输入级，Differential amplifier可分辨与一定伏值的电压差异，而且具有自校正与归零的功能；ADN8831具有内建PID控制系统，在使用的时候，只要通过外接电阻即可达到PID的整体控制需求，通过PID网络的数据调节能够深化系统的响应； crystal oscillator经调节匹配电阻，因此调节系统的开关；通过遏制控制器的可以限制TEC的极值电压，从根本确保了温控系统的稳定性；而且，对周边半导体场效晶体管的驱动择取了一半开关输出一半线性输出的技术，从根本降低了输出电流纹波，进而深化工作有效性。

3 测试与结果

通过以上设计，匹配恒流源电路对VCSEL予以驱动，在此基础上对温控程度予以测试。匹配于所驱动VCSEL的工作温度区间，测定了常温环境中垂直腔面发射激光器在三十摄氏度至八十五摄氏度区间的温控性能。结果见图3，即温控平衡状态下ADN8831的引脚4与5之间的压差曲线。依附于数据手册，压差在大小介于一百毫伏间即处于稳定，而压差越低证明其温控精度越高。按实测参数分析，工作在三十摄氏度环境下，因为和室温差距较小，温控压差基本为零。而处于三十摄氏度至八十五摄氏度之间，稳定压差0.122毫伏，这也从侧面印证了实际温控具有较高的精度。

垂直腔面发射激光器的光强曲线，以四十摄氏度与八十摄氏度的测试参数为基础，激光功率降低比率为32%，但是垂直腔面发射激光器标定衰减比率则为33%，通过此数据我们不难发现，垂直腔面发射激光器在温控中输出功率的实测衰减量匹配于出厂标定，由此可见温控电路的优越性。

伴随垂直腔面发射激光器的工作设定温度持续增加，其与附近环境的热耗散也呈几何形递增，因此，為了稳定设定温度，TEC所消耗的功率也在持续提高。较之垂直腔面发射激光器生产商所提供的半导体致冷器性能曲线，实测的TEC电流曲线匹配于TEC性能标定曲线，由此说明，设计的温控系统性能良好。

4 总结

综上所述，此次研究我们设计了一种高精度VCSEL自动温度控制系统，此系统具有高集成性、低功耗、便于调节等优势。试验证实，此温控系统温控精度超过0.01 摄氏度，且具有较快的响应速率，可以很好的达到垂直腔面发射激光器精密温控的需求。

参考文献

[1]陈弘达，申荣铉，毛陆虹，唐君，梁琨，杜云，黄永箴，吴荣汉，冯军，柯锡明，刘欢艳，王志功.16信道0.35μmCMOS/VCSEL光发射模块（英文）[J].半导体学报，2014（03）.

[2]陈光秒，陈军，葛剑虹，朱小平.垂直腔面发射激光器（VCSEL）在自由空间通信中的应用研究[A].大珩先生九十华诞文集暨中国光学学会2015年学术大会论文集[C].2015.

作者简介

张毅博（1988-），男，江苏省扬州市人。大学本科学历。助理工程师。主要研究方向为电子装配、电子测试、信号采集。

作者单位

凯迈（洛阳）测控有限公司 河南省洛阳市 471009

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