高稳定、强鲁棒性DFB激光器温度控制系统

陈 晨，党敬民，黄渐强，王一丁

（吉林大学 集成光电子学国家重点联合实验室，长春 130012）

近年来，DFB激光器以其优异的单色性和准直性在气体浓度检测领域得到广泛的应用［1－4］。DFB激光器的工作温度变化会影响其内部材料的折射率，改变谐振腔长度，进而使得其输出波长随温度变化发生漂移［5］。当温度增加时，DFB激光器的输出波长也会随之增大，产生红移。其典型输出波长随温度变化的典型值为0.3～0.4 nm／℃［6］。此外，DFB激光器的工作温度也会对其输出光功率造成影响。当DFB激光器注入电流一定时，输出光功率会随着其工作温度的升高而降低。这主要是由于DFB激光器温度升高所引起的阈值电流增大和斜率效率减小所造成的［7］。综上所述，在气体检测领域中，为了提高气体检测的精度，延长激光器工作寿命，对DFB激光器进行温度控制是十分必要的。为此，本文研制了一种具有强鲁棒性的DFB激光器温度控制系统，并进行了实验验证。

1 温度控制器硬件系统设计

温度控制器系统组成框图如图1所示。本文采用美国TI公司的32位定点数字信号处理器TMS320LF2812为核心控制器，以数字－模拟－转换（DAC）模块和TEC控制模块组成温控控制前向通路，以热敏电阻信号采集放大电路和模拟－数字－转换（ADC）模块组成温度信息采集后向通路，从而构成完整的闭环温度控制结构，搭建了性能优异的激光器温度控制系统，其中热电制冷器（TEC）为执行元件，热敏电阻为温度传感元件。同时，核心控制器TMS320LF2812通过温度信息采集后向通路来获得DFB激光器当前的温度信息，采用Ziegler－Nichols PID算法来调整数字控制量，最终由温控控制前向通路实现对DFB激光器的加热和制冷。除了温度信息采集后向通路之外，系统的检测电路中还包括TEC电流信息采集后向通路，使得核心控制器具有监控TEC控制电流的能力。当TEC电流过大时，控制器将关闭TEC控制芯片，以免激光器和TEC受到损伤。

图1 温度控制器系统组成框图Fig.1 Block diagram of temperature controller system

1.1 温度控制前向通路设计

TEC是DFB激光器的控温器件，它是利用半导体材料的帕尔贴效应［8］制成的，当直流电流流经热电制冷器时，其一端会吸收热量，另一端会发出热量。TEC对DFB激光器进行致冷还是加热以及致冷、加热的速率，分别由流经电流的方向和大小来决定。为了实现高精度的激光器温度控制，需对流经TEC的电流进行方向和大小的精确控制。核心控制器输出的数字量经过16位微功耗串行DAC芯片LTC1655［9］和TEC控制芯片MAX1968［10］转换成了对应的控制电流，实现了对DFB激光器加热和制冷的控制。图2给出了温度控制前向通路整体框图。

图2 温度控制前向通路整体框图Fig.2 Overall block diagram of forward channel of temperature control

1.2 温度信息采集后向通路设计

温度信息采集后向通路为控制器提供DFB激光器工作温度信息和TEC控制电流信息。将激光器的工作温度作为反馈值与设定温度相减得出误差值，控制器根据这个误差值对数字控制输出量进行调整，最终使得激光器的工作温度稳定在设定值。根据TEC控制电流信息，控制器判断系统的工作状态，如发现异常，置TEC控制芯片片选信号为低，关闭TEC控制芯片。图3给出了温度信息采集后向通路的整体框图。

图3 温度信息采集后向通路整体框图Fig.3 Overall block diagram of backward channel of temperature data acquisition

2 Ziegler－Nichols PID算法

2.1 数字形式的位置式PID算法

微控制器只能处理离散信号，因此若想以微控制器为核心构建PID控制系统，需将PID控制算法离散化，即数字PID控制算法。在模拟PID算法的基础上对时间t离散化，得到一系列的采样点kT（T为采样周期），之后，用偏差的求和运算代替积分运算，用两次偏差的差分运算代替微分运算，可得数字形式的位置式PID控制算法:

式中:e（i）＝y（i）－r（i），为第i次采样时输入的系统控制偏差值；T为采样周期；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。

2.2 PID参数Ziegler－Nichols工程整定方法

控制系统的过渡过程不仅与控制方案、被控对象特性等有关，也与控制算法的参数有关。在PID算法中，三个PID参数的大小和比例关系直接影响系统的性能。因此，为了获得令人满意的系统过渡过程，需要对参数进行优化。采用目前在工程上应用较广泛的Ziegler－Nichols工程整定方法。

Ziegler－Nichols是一种闭环整定方法，它是根据纯比例控制系统处于临界过程时的临界比例带δpr和振荡周期Tpr，利用经验公式，求取控制算法的最佳参数。其参数整定经验公式如表1所示。

表1 Ziegler－Nichols法参数整定经验公式Table 1 Empirical formula of Ziegler－Nichols parameter tuning method

Ziegler－Nichols法整定PID参数的步骤如下:

（1）设置积分时间TI无穷大，微分时间TD为零，比例带δ（δ＝1／KP）较大，开启控制系统。

（2）待系统稳定后，逐渐减小比例带δ，直至系统出现等幅振荡。记录此时的δ（即临界比例带δpr）和两个波峰之间的时间（临界振荡周期Tpr），如图4所示。

（3）利用表1中所示的经验公式，计算各个参数。

3 温度控制实验及结果分析

图4 Ziegler－Nichols法示意图Fig.4 Diagram of Ziegler－Nichols method

利用该温度控制器，对中国科学院半导体研究所研制的中心波长为1.742μm的DFB激光器做了温度控制测试。图5给出了搭建的DFB激光器温度控制实验装置。DFB激光器采用蝶形封装，集成了TEC和热敏电阻，激光器温度控制器通过杜邦线与DFB激光器相连。通信接口电路一端与激光器温度控制器相连，另一端与计算机RS－232串口相连。

图5 DFB激光器温度控制实验装置Fig.5 DFB laser temperature control device

3.1 Ziegler－Nichols法整定PID参数实验

首先采用P调节器进行了激光器温度控制实验，目的是为了寻找纯比例控制系统Ziegler－Nichols的参数，对DFB激光器温度控制器数字控制算法的参数进行整定。实验设定调节温度为25.0℃，令积分增益系数和微分增益系数为0，令比例增益系数由5开始逐渐增大。图6给出了不同比例增益系数下的温度控制实验曲线。

从图6可看出P调节器在进行温度控制时存在余差，且控制余差的大小随着比例增益系数的增大而减小；另外，当Ziegler－Nichols法比例增益系数逐渐增大时，系统振荡逐渐加剧。在激光器控制温度稳定后，逐渐加大比例增益系数，在KP＝75时得到了温度控制系统的Ziegler－Nichols法临界振荡曲线，此时系统处于临界过程。图7给出了温度控制系统的震荡曲线，可以得出振荡周期Tpr为4.5s。

图6 不同Kp下的激光器温度控制实验曲线Fig.6 Experiment curve of laser temperature control when KPvaries

图7 Ziegler－Nichols法临界振荡实验曲线Fig.7 Critical shock experiment curve of Ziegler－Nichols method

采用Ziegler－Nichols的临界比例带法对温度控制器的数字控制算法参数进行整定，即通过试验获得δpr和Tpr，然后按照经验公式计算出各个参数。由上一节得到Tpr＝4.5s和Kpr＝75，则δpr＝1／Kpr＝0.0133。由表1可得:δ＝1.67δpr＝0.0223，TI＝0.5，Tpr＝2.25s，TD＝0.125，Tpr＝0.5625s。

温度控制任务每1s运行一次，因此数字PID算法采样周期为1s。由以上可得:KP＝1／δ＝44.84，KI＝KP×T／TI＝19.93，KD＝KP×TD／T＝25.22。

3.2 温度控制稳定性测试实验

将KP＝44.84、KI＝19.93、KD＝25.22带入PID控制程序，对DFB激光器温度控制器进行了测试，设定目标温度为25℃。图8给出了温度控制器对激光器进行温度控制的曲线。从图8可看出温度控制进行20s之后，激光器温度逐渐稳定。对图8虚线框中的曲线进行放大，得到图9所示的曲线。从图9可知温度控制器运行80s后，温度控制的精度优于0.05℃。

图8 温度控制实验曲线Fig.8 Temperature control experiment curve

图9 温度控制实验曲线局部放大图Fig.9 Partial enlargement experiment curve of temperature control

同时，开展了DFB激光器温度控制器的稳定性测试实验。在220min的时间内，每隔一秒记录一次激光器的温度，并以这些采样数据绘制出了如图10所示的测试曲线。将1～220min的试验数据重新绘制，得到了如图11所示的曲线，从图11中发现温度控制曲线除在175min左右有一点的控制温度与设定温度的偏差为0.05℃，其余各点与设定温度的偏差均小于0.05℃。

3.3 温度控制范围测试实验

为了满足项目需求，DFB温度控制器应实现5～60℃的激光器温度控制。对温度控制器的温度控制范围进行了测试，设定目标控制温度由0℃逐渐增加到70℃，间隔为5℃，得到了一系列温度控制实验曲线。实验表明:激光器温度控制器在5～60℃的温度控制范围内表现良好；当设定温度小于5℃或大于60℃时，激光器温度控制器会由于软件编程和温度传感器采样电路的限制而可能出现错误。图12和图13给出了目标控制温度为5℃和60℃的温度控制曲线。

图10 温度控制稳定性测试实验曲线Fig.10 Stability testing experiment curve of temperature control

图11 1～220min温度控制稳定性测试实验曲线Fig.11 Stability testing experiment curve of temperature control during 1～220min

图12 目标控制温度为5℃的温度控制实验曲线Fig.12 Experiment curve of temperature control when target temperature is 5℃

3.4 DFB激光器调谐特性模型

图13 目标控制温度为60℃的温度控制实验曲线Fig.13 Experiment curve of temperature control when target temperature is 60℃

半导体材料的折射率和带隙对应的辐射激光波长，随温度、载流子浓度等变化而改变［11］。对中国科学院半导体研究所研制的中心波长为1.742μm的DFB激光器做了DFB激光器调谐特性测试。在实验室条件下，使用光谱分析仪（Agilent:86142B）测量DFB激光器在不同温度和不同电流条件下的输出波长。DFB激光器的注入电流和工作温度控制由自主研制的驱动器和温度控制器提供，光谱仪的波长扫描范围为1300～1900nm，分辨率为10pm。实验分为两部分，一是将温度控制器工作温度保持不变，只改变注入电流（范围为30～80mA，步长为5mA）测量激光器输出波长，即电流调谐谱；二是在注入电流保持不变而只改变工作温度（范围为20～40℃，步长为5℃）得到温度调谐谱。其测量结果如图14所示。

图14 DFB激光器在不同温度下输出波长随注入电流的变化曲线Fig.14 Output wavelength of DFB laser vs.injection current at different temperatures

同时，为了能够精确预测DFB激光器在快速调谐过程中的瞬态输出波长，利用以上实验数据，建立了DFB激光器的注入电流－工作温度的调谐特性解析模型图谱，如图15所示。

图15 DFB激光器注入电流－工作温度的调谐特性解析模型谱图Fig.15 Analytical spectrum model of DFB laser tuning characteristic with injection current－operating temperature

为了进一步验证所建立的激光器调谐特性解析模型的精确性，利用HCL气体在该光谱波段的多个吸收谱线来测量DFB激光的波长。采用温度调谐的DFB激光器吸收光谱实验系统设定参数如下:DFB激光器的注入电流设定为50 mA，TEC驱动电流分别设定为0.9、1.0、1.2A，热敏电阻的工作电流设定为100μA，HCL气体的体积分数为10%。将激光器调谐特性解析模型得出的预测波长与HITRAN光谱数据库［12］波长数据进行比较，结果如表2所示。

由表2可见，解析模型波长预测值与HITRAN谱图中HCL气体吸收线的误差仅在3 pm内，比现有光谱仪的最高分辨率（10pm）还要高。

3.5 温度控制器动态性能

在实际应用中，往往由于环境温度突变使DFB激光器输出波长跳变，同时会引起系统输出参数的突变，因此需要对本DFB温度控制器的动态性能进行评估。测试条件如下:在室温条件下，DFB激光器的注入电流为50mA，TEC驱动电流为1.0A，热敏电阻的工作电流为100μA，利用DFB温度控制器使DFB激光器工作在目标温度30℃，然后调节温度箱使环境温度降至10℃和升高至50℃，DFB激光器工作温度响应曲线如图16所示。当环境温度由30℃突降至10℃时，DFB激光器工作温度最低突降至28.76℃，热响应时间为20s，热动态误差为4.1%。当环境温度由30℃突升至50℃时，DFB激光器工作温度最高突变至31.32℃，热响应时间为20s，热动态误差为4.4%。同时，由本文建立的DFB激光器调谐特性解析模型谱图可计算出DFB激光器输出波长波动值分别为0.124nm（28.76 ℃）和0.132nm（31.32℃）。系统动态精确度能够满足光谱分析、光学相干测量等实际应用的要求。

表2 在不同TEC驱动电流下的波长预测结果与HITRAN谱库结果的比较Table 2 Comparison of absorption spectrum between estimated data and HITRAN data under different drive currents of TEC

图16 DFB激光器在环境温度突变下的工作温度响应曲线Fig.16 Temperature response curve of DFB lasers under mutation of circumstancet temperature

4 结束语

设计并研制了一种基于Ziegler－Nichols PID算法的高稳定性DFB激光器温度控制系统，给出了详细的硬件原理图和稳流控制算法。实验结果显示，该DFB激光器温度控制器的控制精度为±0.05℃，温度控制范围为5～60℃，系统进入设定温度±1℃偏差的时间小于30s，满足系统指标要求。应用该温度控制系统以及DFB激光器做了HCl气体浓度检测实验，结果表明，在长时间（220min）运行中，DFB激光器工作状态稳定，中心波长未出现漂移，为DFB激光器在红外气体检测领域的实用化提供了性能保障。本文所研制的DFB激光器温度控制系统可应用于基于DFB激光器的红外气体检测系统。

［1］Tittel F，Richter D，Fried A.Mid－infrared laser applications in spectroscopy［J］.Solid－State Midinfrared Laser Sources，2003，89:445－510.

［2］温志渝，王玲芳，陈刚，等.基于量子级联激光器的气体检测系统的发展与应用［J］.光谱学与光谱分析，2010，30（8）:2043－2048.Wen Zhi－yu，Wang Ling－fang.Chen Gang，et al.Development and application of quantum cascade laser based gas sensing system［J］.Spectroscopy and Spectral Analysis，2010，30（8）:2043－2048.

［3］Werle Peter，Slemr Franz Karl，Kormann Robert.Near－and mid－infrared laser－optical sensors for gas analysis［J］.Optics and Lasers in Engineering，2002，37:101－114.

［4］Maurus Tacke.New developments and applications of tunable lead salt lasers［J］.Infrared Phys Technology，1995，36（1）:447－463.

［5］Seufert J，Fischer M，Legge M，et al.DFB laser diodes in the wavelength range from 760nm to 2.5μm［J］.Spectrochimica Acta Part A:Molecular and Biomolecular Spectroscopy，2004，60:3243－3247.

［6］Alexandre Larrue，Olivier Bouchard，Antoine Monmayrant，et al.Precise frequency spacing in photonic crystal DFB laser arrays［J］.IEEE Photonics Technoligy Letters，2008，20（24）:2120－2122.

［7］Klehr A，Wenzel H，Brox O，et al.High power DFB lasers for D1and D2rubidium absorption spectroscopy and atomic clocks［C］∥Proc SPIE Novel In－Plane Semiconductor Lasers VIII，2009，7230.

［8］Lineykin S，Ben－Yaakov S.Analysis ofthermoelectric coolers by a SPICE－compatible equivalent circuit model［J］.Power Electronics Letters，2005，3（2）:63－66.

［9］Linear Technology.LTC165516－Bit Rail－to－Rail Micropower DAC in SO－8Package［P］.1998.

［10］MAXIM.Power Drivers for Peltier TEC Modules MAX1968／MAX1969［P］.2002.

［11］张国威.可调谐激光技术［M］.北京:国防工业出版社，2002.

［12］Rothman L S，Jacquemart D，Barbe A.The HITRAN 2004molecular spectroscopic database［J］.Journal of Quantitative Spectroscopy ＆Radiative Transfer，2005，96:139－204.