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(cè)試，通過對(duì)不同的控制方法的仿真分析和實(shí)測(cè)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。

0引言

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(zhǎng)與管芯的溫度密切相關(guān)，溫度升高將導(dǎo)致波長(zhǎng)變長(zhǎng)（一般為0.1nm℃），對(duì)于一般的單波長(zhǎng)光通信系統(tǒng)來說，波長(zhǎng)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(zhǎng)間隔已經(jīng)很小，保持波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(chǎng)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(cè)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(cè)信號(hào)的放大，經(jīng)過適當(dāng)?shù)目刂破麟娐泛?，通過功率放大器去驅(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(cè)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(zhǎng)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)及放大電路

3.1熱敏電阻

為了檢測(cè)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?