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

本文對用于通信設(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，并從自動控制的角度對溫控電路形式進(jìn)行了詳細(xì)的性能指標(biāo)分析和測試，通過對不同的控制方法的仿真分析和實測數(shù)據(jù)的對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℃），對于一般的單波長光通信系統(tǒng)來說，波長的漂移對系統(tǒng)性能并無太大影響。但對于密集波分復(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)致整個系統(tǒng)的不可用。另外，半導(dǎo)體激光器是對溫度敏感的器件，其閾值電流、輸出波長以及輸出光功率的穩(wěn)定性都對溫度非常敏感，其工作壽命也與其工作溫度密切相關(guān)。

實驗表明，溫度每升高30℃激光器的壽命會降低一個數(shù)量級。對于可靠性要求高的場合，且保證激光器的壽命就需要對管芯溫度加以控制，這樣在系統(tǒng)中就需要附加一個自動溫度控制電路（ATC）來實現(xiàn)對激光器管芯的溫度控制。

如圖1是一個典型的溫度控制系統(tǒng)原理框圖，傳感器將測量到的實際溫度值與設(shè)定溫度值進(jìn)行比較得出誤差信號，誤差信號送入控制器并驅(qū)動執(zhí)行器對溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于反饋的作用，使得整個系統(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：

溫度信號檢測放大電路、控制器電路以及功率放大電路等。

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，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能夠分別實現(xiàn)致冷或致熱，無論處于致冷還是致熱狀態(tài)，溫度都不會突變，而是一個緩慢變化的過程。而在一定的電流下，當(dāng)時間足夠長時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間的關(guān)系通過計算機(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間，被測的FUJITSU激光器的熱延遲時間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延遲環(huán)節(jié)。