基于ADN8830的激光器溫度控制系統(tǒng)電路改進(jìn)設(shè)計(jì)

趙青楊，原 霞，趙鵬飛，郭 烽，趙重鵬

(中北大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引 言

半導(dǎo)體激光器由于其轉(zhuǎn)化效率高、 體積小、 重量輕、 可靠性高、 能直接調(diào)制、 波長(zhǎng)覆蓋范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，以及與其他半導(dǎo)體器件的超強(qiáng)集成能力等特點(diǎn)而成為現(xiàn)在信息技術(shù)中應(yīng)用到的關(guān)鍵部件[1-4]，相對(duì)于其它類(lèi)型的激光器，其應(yīng)用范圍更廣[5-6]. 有關(guān)半導(dǎo)體激光光源驅(qū)動(dòng)器的相關(guān)問(wèn)題，也更加受到人們的重視.

ADN8830芯片是ADI公司設(shè)計(jì)的一款具有高輸出效率的開(kāi)關(guān)模式的單芯片TEC(Thermal Electric Cooler)控制器，采用一半開(kāi)關(guān)輸出，一半線性輸出的輸出模式，該模式可以減少一半的電流紋波，精簡(jiǎn)外圍電路，同時(shí)提高效率. 針對(duì)激光器的溫度控制，在大信號(hào)工作方式下，芯片的線性模式輸出級(jí)會(huì)工作在開(kāi)關(guān)模式； 在小信號(hào)的工作方式下，芯片的線性模式輸出級(jí)會(huì)工作在線性模式，從而為T(mén)EC在加熱和制冷之間提供平滑的過(guò)渡. 目前國(guó)內(nèi)外的學(xué)者在使用ADN8830設(shè)計(jì)激光器恒溫恒功率控制方面做了大量的研究[7-10]，覃喜慶采用ADN8830設(shè)計(jì)了高性能的TEC溫度控制電路[11]，胡楊基于ADN8830設(shè)計(jì)了半導(dǎo)體激光器的溫控電路，溫控精度可到±0.2 ℃，但沒(méi)有說(shuō)明激光器的功率穩(wěn)定性能[12]，華中科技大學(xué)的周進(jìn)軍等人采用ADN8830芯片設(shè)計(jì)了半導(dǎo)體激光器的自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)，但對(duì)控制精度沒(méi)有討論[13]. 經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，采用ADN8830設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)可以快速簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)PID溫控，但溫控精度僅能達(dá)到±0.2 ℃，相比于ILX lightwave公司的 LD3700 溫度控制器[14]，控制精度較低. 因此在本文中，通過(guò)分析ADN8830的溫控機(jī)理，尋找溫控精度較低的原因，改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路加以對(duì)激光器進(jìn)行電流補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)激光器的高精度的功率穩(wěn)定性.

1 溫控系統(tǒng)缺陷機(jī)理分析

1.1 半導(dǎo)體閾值特性和溫度特性

半導(dǎo)體激光器是通過(guò)注入電流的方式對(duì)PN結(jié)進(jìn)行泵浦，當(dāng)注入電流大于閾值電流時(shí)，光增益大于腔內(nèi)損耗，在諧振腔內(nèi)形成穩(wěn)定的振蕩，產(chǎn)生激光. 經(jīng)物理學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，半導(dǎo)體激光器的輸出與注入電流之間的關(guān)系可以表示為[15]

(1)

式中：P為輸出光功率；Pth為閾值功率，即閾值電流下的輸出光功率；nd為外微分量子效率；hf為光子能量；e為電子電荷；I為注入電流；Ith為閾值電流.

半導(dǎo)體的閾值電流與溫度息息相關(guān)，半導(dǎo)體材料受溫度變化的影響會(huì)改變PN結(jié)的物理結(jié)構(gòu)，從而改變其閾值電流. 經(jīng)物理學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，溫度和閾值電流之間的公式可以表示為[16]

Ith(T)=Ire(T-298)/T0,

(2)

式中：Ith(T)為溫度為T(mén)時(shí)的閾值電流；Ir為溫度小于T0時(shí)的閾值電流；T為激光器PN結(jié)的絕對(duì)溫度；T0為激光器的特征溫度.

根據(jù)式(1)和(2)，在半導(dǎo)體激光器工作溫度恒定時(shí)，激光的輸出光功率的穩(wěn)定性與注入電流呈正比關(guān)系，采用高穩(wěn)定性驅(qū)動(dòng)電源，通過(guò)高精度的溫度控制可以實(shí)現(xiàn)激光器的高穩(wěn)定性的功率輸出. 但實(shí)際測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，激光器的輸出光功率與激光器工作溫度之間存在一定的正弦波動(dòng)關(guān)系，難以實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性的功率輸出.

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

本文對(duì)ADN8830設(shè)計(jì)的溫控電路進(jìn)行實(shí)際測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，采用PLT5-520B型激光器恒流電源驅(qū)動(dòng)時(shí)，其激光器的輸出光功率與工作溫度呈正弦波動(dòng)關(guān)系. 如圖1 所示，該型激光器在25 ℃目標(biāo)溫度下，溫度變化±0.5 ℃，平均功率設(shè)定在30 mW，因測(cè)量裝置存在誤差，實(shí)測(cè)平均功率為29.6 mW，功率變化0.5 mW，變化達(dá)1.5%，在一定溫度范圍內(nèi)，功率與溫度呈明顯正弦關(guān)系，功率隨溫度的升高而降低，隨溫度的降低而升高.

圖1 25 ℃目標(biāo)溫度下PLT5-520B型激光器功率-時(shí)間圖Fig.1 Power time diagram of PLT5-520B laser at 25 ℃ target temperature

為進(jìn)一步研究激光器輸出光功率與工作溫度之間的相關(guān)關(guān)系，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合功率數(shù)據(jù)曲線如圖2(a)所示，得到輸出光功率與時(shí)間的關(guān)系為

(3)

圖2 輸出光功率和工作溫度數(shù)據(jù)擬合曲線Fig.2 Data fitting curve of output optical power and operating temperature

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合溫度數(shù)據(jù)曲線如圖2(b) 所示，得到工作溫度與時(shí)間的關(guān)系為

(4)

通過(guò)對(duì)比式(3)和式(4)可以發(fā)現(xiàn)，輸出光功率隨時(shí)間的波動(dòng)周期與溫度隨時(shí)間的波動(dòng)周期基本一致，并且存在約半個(gè)波長(zhǎng)的相位偏差. 其原因如下： LD芯片有源區(qū)產(chǎn)生熱量，經(jīng)過(guò)LD芯片、 芯片載體、 基座最終到達(dá)TEC控制端. 根據(jù)熱力學(xué)第二定律： 由于溫度差的存在便會(huì)產(chǎn)生熱傳導(dǎo)效應(yīng)，在半導(dǎo)體激光器組件內(nèi)部通常存在三種傳遞方式： 熱傳導(dǎo)、 熱輻射和對(duì)流，其中熱傳導(dǎo)占半導(dǎo)體激光器組件傳熱方式的99.9%以上. 半導(dǎo)體激光器穩(wěn)定工作之后，LD芯片可以近似于點(diǎn)熱源，從熱源到芯片載體、 支撐基座、 TEC、 組件外殼、 熱沉和溫度檢測(cè)傳感器之間存在一定的距離，因此從LD芯片到溫度傳感器之間的溫度分布可近似為一維分布，此時(shí)熱場(chǎng)分布下降速度變慢，導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器的TEC溫度響應(yīng)速度變得遲緩. 當(dāng)激光器穩(wěn)定工作后，TEC的溫度控制與LD芯片溫度之間存在一定的延時(shí)，進(jìn)而導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)測(cè)試中的正弦波動(dòng)關(guān)系.

本文通過(guò)傳統(tǒng)的ADN8830溫度控制系統(tǒng)，分析半導(dǎo)體激光器的輸出光功率與工作溫度之間的關(guān)系，對(duì)注入電流進(jìn)行一定的增補(bǔ)，其增補(bǔ)大小為閾值電流隨溫度變化的波動(dòng)量，相位角度相應(yīng)延后半個(gè)波長(zhǎng)，以保證半導(dǎo)體激光器輸出光功率的穩(wěn)定性，基于此設(shè)想，設(shè)計(jì)了半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)改進(jìn)電路.

2 電路設(shè)計(jì)的改進(jìn)

2.1 總體電路設(shè)計(jì)

根據(jù)半導(dǎo)體激光器恒功率控制系統(tǒng)所要求達(dá)到的性能指標(biāo)和主要功能，前人所設(shè)計(jì)的ADN8830溫控系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)溫度傳感器的電壓信號(hào)，調(diào)節(jié)外圍器件控制PID反饋，進(jìn)而輸出電流驅(qū)動(dòng)TEC工作. 基于上述溫控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了該半導(dǎo)體激光器的恒功率控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包含主控制器STM32F103C8T6，恒溫控制部分，恒電流驅(qū)動(dòng)部分，溫度測(cè)量部分和TEC溫度控制部分. 恒流驅(qū)動(dòng)部分主要是由芯片ADN2830控制，通過(guò)檢測(cè)激光器的偏置電流，進(jìn)而調(diào)節(jié)注入電流的大小. 主控制器通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體激光器工作溫度的檢測(cè)確定閾值電流的變化量，進(jìn)一步對(duì)恒電流驅(qū)動(dòng)部分的輸出電流進(jìn)行增補(bǔ)以消除閾值電流隨溫度波動(dòng)帶來(lái)的誤差.

如圖3 所示，改進(jìn)電路部分主要是采用主控制器STM32F103C8T6對(duì)激光器的輸入電流進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娐? 在前人所述電路中，恒流源通過(guò)檢測(cè)激光器的偏置電流，進(jìn)而調(diào)節(jié)注入電流的大小，溫度控制部分通過(guò)檢測(cè)熱敏電阻的反饋電壓大小并利用PID調(diào)節(jié)控制TEC的工作電流大小，進(jìn)而控制激光器的工作溫度. 改進(jìn)電路中，在恒流源和激光器之間增加補(bǔ)償電路，主控制器STM32F103C8T6通過(guò)檢測(cè)熱敏電阻的反饋電壓大小和偏置電流大小判斷激光器光源處的溫度變化，進(jìn)一步確定閾值電流的變化，進(jìn)而在恒流源輸出電流的基礎(chǔ)上對(duì)激光器的注入電流進(jìn)行一定增補(bǔ)，以消除閾值電流變化帶來(lái)的激光器輸出功率波動(dòng). 另外，注入電流的增補(bǔ)必然導(dǎo)致激光器發(fā)熱量的變化，因此，主控制器在增補(bǔ)注入電流同時(shí)對(duì)溫控系統(tǒng)進(jìn)行一定干預(yù).

圖3 改進(jìn)電路總體設(shè)計(jì)框圖

Fig.3 Overall design diagram of improved circuit

2.2 恒電流驅(qū)動(dòng)部分電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

恒電流驅(qū)動(dòng)部分電路主要通過(guò)控制芯片ADN2830進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)小功率半導(dǎo)體激光器的輸出光功率. 如圖4 所示，通過(guò)設(shè)置芯片引腳PSET與GND之間的電阻值來(lái)控制輸出功率的整體大??； 通過(guò)IBIAS引腳與半導(dǎo)體激光器相連監(jiān)控激光器的偏置電流，通過(guò)與設(shè)定值比較進(jìn)而調(diào)控激光器功率，可以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器平均光功率的閉環(huán)控制，通過(guò)改變輸入半導(dǎo)體激光器的電流來(lái)控制和調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器的輸出光功率.

圖4 恒流驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖Fig.4 Design of constant current drive circuit

由于小功率半導(dǎo)體激光器的工作電流受半導(dǎo)體激光器工作環(huán)境影響較大，激光器的工作電流隨工作環(huán)境溫度的變化而波動(dòng)，基于此配置，通過(guò)檢測(cè)半導(dǎo)體激光器PD部分的偏置電流，可以實(shí)時(shí)調(diào)整半導(dǎo)體激光器的輸入工作電流，進(jìn)而達(dá)到激光器輸出功率恒定的目的.

如圖5 所示，在系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后，對(duì)激光器的偏置電流和工作溫度進(jìn)行檢測(cè)，判斷偏置電路與溫度之間是否存在相關(guān)關(guān)系，如存在相關(guān)關(guān)系，則首先根據(jù)溫度變化曲線，計(jì)算閾值電流的變化量ΔIth，再判斷相關(guān)關(guān)系的相位偏差角Δα，根據(jù)ΔIth和Δα對(duì)注入電流進(jìn)行一定的增補(bǔ)，以消除閾值電流隨溫度變化的改變量，保證激光器發(fā)光電流的穩(wěn)定性.

圖5 程序設(shè)計(jì)流程圖Fig.5 Flow chart of program design

3 改進(jìn)電路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了更好地論證本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的可行性，針對(duì)osram公司生產(chǎn)的PLT5-520B型半導(dǎo)體激光器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn). 該型激光器25 ℃的典型輸出功率為80 mW，波長(zhǎng)為520 nm. 實(shí)驗(yàn)中，采用TEC制冷器，并將TEC的熱端通過(guò)導(dǎo)熱硅脂貼在散熱齒片上. 實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，將PLT5-520B型半導(dǎo)體激光器的工作溫度設(shè)定在25 ℃，控制該激光器的平均輸出功率在15 mW附近，光功率測(cè)量采用THORLABS公司生產(chǎn)的PM100D的光功率測(cè)量?jī)x，因該功率測(cè)量?jī)x為非接觸式測(cè)量，在測(cè)量過(guò)程中對(duì)半導(dǎo)體激光器的平均輸出功率會(huì)有一定偏差，但對(duì)于測(cè)量半導(dǎo)體激光器光功率隨溫度變化的相對(duì)誤差精度較高； 溫度測(cè)量為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，上位機(jī)軟件采用業(yè)賢科技公司上位機(jī)軟件EasyHost. 在室溫下，目標(biāo)溫度為25 ℃，實(shí)測(cè)平均功率為13.9 mW，測(cè)量結(jié)果如圖6 所示.

圖6 25 ℃目標(biāo)溫度下功率溫度測(cè)試圖Fig.6 Power temperature test diagram at 25 ℃ target temperature

由圖6 可知，該型激光器工作溫度穩(wěn)定在 ±0.02 ℃ 范圍，輸出光功率穩(wěn)定在±0.02 mW內(nèi). 對(duì)比傳統(tǒng)激光驅(qū)動(dòng)電源，在相同溫度設(shè)置下，本文所設(shè)計(jì)的激光器的恒功率控制系統(tǒng)能明顯改善輸出光功率與激光器的工作溫度之間的相關(guān)關(guān)系.

4 結(jié) 論

本文針對(duì)ADN8830的溫度控制系統(tǒng)在溫度控制領(lǐng)域上的應(yīng)用，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)激光器的輸出光功率與激光器工作溫度之間存在一定的正弦波動(dòng)關(guān)系，并對(duì)可能存在的關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)存在問(wèn)題的原因是，激光器在發(fā)光過(guò)程中產(chǎn)生的熱量通過(guò)芯片載體、 支撐基座、 外殼最終傳遞到溫度檢測(cè)探頭和TEC上，使得熱場(chǎng)分布速度下降，導(dǎo)致TEC溫度變化的相應(yīng)速度變得遲緩，故而導(dǎo)致溫度存在正弦波動(dòng)，閾值電流隨溫度變化而波動(dòng)，進(jìn)一步導(dǎo)致輸出光功率的正弦波動(dòng)性，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中表現(xiàn)為輸出光功率與工作溫度之間的正弦波動(dòng)，并且相差半個(gè)波長(zhǎng)的相位角度. 利用分析出的原因來(lái)改進(jìn)電路，對(duì)激光器的注入電流進(jìn)行一定的補(bǔ)償，其補(bǔ)償值的大小為閾值電流隨溫度的變化量ΔIth，相位角度為輸出光功率與溫度之間的相位偏差角Δα. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明： 改進(jìn)電路設(shè)計(jì)明顯改善了輸出光功率與激光器的工作溫度之間的相關(guān)關(guān)系，使溫控精度從0.5 ℃提高到±0.02 ℃，激光器輸出光功率穩(wěn)定在±0.02 mW內(nèi).