[发明专利]一种基于PD的激光器温度控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于PD(Photodiode光电二极管)的激光器温度控制系统，适用于内部集成有光电二极管的半导体激光器的高精度温度控制。

背景技术

半导体激光器在国防、科研、通信、加工等领域有着广泛飞应用，特别是在科研与通信领域，半导体激光器输出频率与功率的稳定性直接影响系统性能。半导体激光器输出频率与光功对温度有较强的依赖性，因此应对半导体激光器温度进行高精度控制。

半导体激光器温度控制系统一般采用热敏电阻、热电偶、热电阻、集成温度传感器作为温度传感器，采用PID算法或更为复杂的控制算法对温度进行控制，以半导体制冷芯片作为执行器，通过改变流过半导体制冷芯片的电流的大小与方向，实现对激光器温度的控制。但目前的温度控制系统中，温度传感器测量的均是与激光器发光芯片相接触的热沉的温度，由于热量在传导的过程中所出现的损耗，使温度传感器检测到的温度与激光器实际温度有一定的偏差，难以实现温度控制精度的进一步提高。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有激光器温度控制系统的不足，提供一种高精度的激光器温度控制，且稳定可靠。

本发明的技术解决方案是：一种基于PD的激光器温度控制系统，由温度测量子系统、温度控制子系统、温度控制执行器子系统、温度反馈子系统、温度显示子系统组成，其中温度测量子系统通过两个参数相同的NTC测量与激光器发光芯片接触的热沉的温度，当NTC输出相同时表明系统达到热平衡，由此间接获得激光器的温度，将其转换为电信号并与设定值进行比较，输入至温度控制子系统；温度控制子系统采用智能控制算法对激光器温度进行控制，将调节后的信号输入至温度控制执行器子系统；温度控制执行器子系统将温度控制信号进行功率放大，驱动执行器TEC(Semiconductor Cooler半导体制冷芯片)工作，对激光器热沉进行加热或制冷；温度反馈子系统将集成于激光器内部的PD输出的电流信号转换为电压信号，反馈回输入端，以实现对激光器温度的反馈控制；温度显示子系统实现对激光器设定温度与实时温度的显示。其中温度测量子系统通过两个参数完全相同NTC测量与激光器发光芯片相接触的热沉的温度，当两个NTC阻值相同时，可视为系统温度已分布均匀，此时NTC测量所得温度最接近激光器发光芯片的温度，通过恒流源电路将NTC电阻值转换为电压信号，输入至温度控制子系统；温度控制子系统采用智能控制算法对激光器温度进行控制，通过观测器估计环境温度变化对系统的影响，采用DSP构成数字PID，实现对激光器温度长期稳定、高精度的控制；温度执行器子系统以半导体制冷芯片为执行器，将温度控制子系统输出的信号进行放大，通过改变流过半导体制冷芯片电流的大小与方向，从而实现对与激光器相接触的热沉的加热或制冷，从而可对激光器的温度进行控制；温度反馈子系统通过集成于激光器内部的PD实现对激光器温度控制的反馈，将随激光器温度而变化的PD的电流信号，转换为电压信号，反馈回温度控制子系统；温度显示子系统用于对激光器温度进行显示。

本发明的原理是：由于激光器输出光功率P与外微分量子效率η_d、阈值电流I_th存在以下函数关系：

P=ηdhυe(I-Ith)]]>

其中，h为普朗克常数，υ为频率，e为单位电荷量，I为注入电流；为常数，外微分量子效率随温度升高而降低，阈值电流随温度升高而升高，因此激光器功率随温度升高而下降，即功率与温度T存在以下关系：

P∝1/T