基于ADN8830的激光器温度控制系统电路改进设计

赵青杨，原 霞，赵鹏飞，郭 烽，赵重鹏

(中北大学 机械工程学院，山西 太原 030051)

0 引 言

半导体激光器由于其转化效率高、 体积小、 重量轻、 可靠性高、 能直接调制、 波长覆盖范围宽等优点，以及与其他半导体器件的超强集成能力等特点而成为现在信息技术中应用到的关键部件[1-4]，相对于其它类型的激光器，其应用范围更广[5-6]. 有关半导体激光光源驱动器的相关问题，也更加受到人们的重视.

ADN8830芯片是ADI公司设计的一款具有高输出效率的开关模式的单芯片TEC(Thermal Electric Cooler)控制器，采用一半开关输出，一半线性输出的输出模式，该模式可以减少一半的电流纹波，精简外围电路，同时提高效率. 针对激光器的温度控制，在大信号工作方式下，芯片的线性模式输出级会工作在开关模式； 在小信号的工作方式下，芯片的线性模式输出级会工作在线性模式，从而为TEC在加热和制冷之间提供平滑的过渡. 目前国内外的学者在使用ADN8830设计激光器恒温恒功率控制方面做了大量的研究[7-10]，覃喜庆采用ADN8830设计了高性能的TEC温度控制电路[11]，胡杨基于ADN8830设计了半导体激光器的温控电路，温控精度可到±0.2 ℃，但没有说明激光器的功率稳定性能[12]，华中科技大学的周进军等人采用ADN8830芯片设计了半导体激光器的自动温度控制系统，但对控制精度没有讨论[13]. 经实验测试发现，采用ADN8830设计的温控系统可以快速简单地实现PID温控，但温控精度仅能达到±0.2 ℃，相比于ILX lightwave公司的 LD3700 温度控制器[14]，控制精度较低. 因此在本文中，通过分析ADN8830的温控机理，寻找温控精度较低的原因，改进驱动电路加以对激光器进行电流补偿，以实现激光器的高精度的功率稳定性.

1 温控系统缺陷机理分析

1.1 半导体阈值特性和温度特性

半导体激光器是通过注入电流的方式对PN结进行泵浦，当注入电流大于阈值电流时，光增益大于腔内损耗，在谐振腔内形成稳定的振荡，产生激光. 经物理学实验证明，半导体激光器的输出与注入电流之间的关系可以表示为[15]

(1)

式中：P为输出光功率；Pth为阈值功率，即阈值电流下的输出光功率；nd为外微分量子效率；hf为光子能量；e为电子电荷；I为注入电流；Ith为阈值电流.

半导体的阈值电流与温度息息相关，半导体材料受温度变化的影响会改变PN结的物理结构，从而改变其阈值电流. 经物理学实验证明，温度和阈值电流之间的公式可以表示为[16]

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

(2)

式中：Ith(T)为温度为T时的阈值电流；Ir为温度小于T0时的阈值电流；T为激光器PN结的绝对温度；T0为激光器的特征温度.

根据式(1)和(2)，在半导体激光器工作温度恒定时，激光的输出光功率的稳定性与注入电流呈正比关系，采用高稳定性驱动电源，通过高精度的温度控制可以实现激光器的高稳定性的功率输出. 但实际测试时发现，激光器的输出光功率与激光器工作温度之间存在一定的正弦波动关系，难以实现高稳定性的功率输出.

1.2 实验测试

本文对ADN8830设计的温控电路进行实际测试时发现，采用PLT5-520B型激光器恒流电源驱动时，其激光器的输出光功率与工作温度呈正弦波动关系. 如图1 所示，该型激光器在25 ℃目标温度下，温度变化±0.5 ℃，平均功率设定在30 mW，因测量装置存在误差，实测平均功率为29.6 mW，功率变化0.5 mW，变化达1.5%，在一定温度范围内，功率与温度呈明显正弦关系，功率随温度的升高而降低，随温度的降低而升高.

图1 25 ℃目标温度下PLT5-520B型激光器功率-时间图Fig.1 Power time diagram of PLT5-520B laser at 25 ℃ target temperature

为进一步研究激光器输出光功率与工作温度之间的相关关系，根据实验数据，拟合功率数据曲线如图2(a)所示，得到输出光功率与时间的关系为

(3)

图2 输出光功率和工作温度数据拟合曲线Fig.2 Data fitting curve of output optical power and operating temperature

根据实验数据，拟合温度数据曲线如图2(b) 所示，得到工作温度与时间的关系为

(4)

通过对比式(3)和式(4)可以发现，输出光功率随时间的波动周期与温度随时间的波动周期基本一致，并且存在约半个波长的相位偏差. 其原因如下： LD芯片有源区产生热量，经过LD芯片、 芯片载体、 基座最终到达TEC控制端. 根据热力学第二定律： 由于温度差的存在便会产生热传导效应，在半导体激光器组件内部通常存在三种传递方式： 热传导、 热辐射和对流，其中热传导占半导体激光器组件传热方式的99.9%以上. 半导体激光器稳定工作之后，LD芯片可以近似于点热源，从热源到芯片载体、 支撑基座、 TEC、 组件外壳、 热沉和温度检测传感器之间存在一定的距离，因此从LD芯片到温度传感器之间的温度分布可近似为一维分布，此时热场分布下降速度变慢，导致半导体激光器的TEC温度响应速度变得迟缓. 当激光器稳定工作后，TEC的温度控制与LD芯片温度之间存在一定的延时，进而导致了实验测试中的正弦波动关系.

本文通过传统的ADN8830温度控制系统，分析半导体激光器的输出光功率与工作温度之间的关系，对注入电流进行一定的增补，其增补大小为阈值电流随温度变化的波动量，相位角度相应延后半个波长，以保证半导体激光器输出光功率的稳定性，基于此设想，设计了半导体激光器的驱动改进电路.

2 电路设计的改进

2.1 总体电路设计

根据半导体激光器恒功率控制系统所要求达到的性能指标和主要功能，前人所设计的ADN8830温控系统，通过检测温度传感器的电压信号，调节外围器件控制PID反馈，进而输出电流驱动TEC工作. 基于上述温控系统，设计了该半导体激光器的恒功率控制系统，该系统主要包含主控制器STM32F103C8T6，恒温控制部分，恒电流驱动部分，温度测量部分和TEC温度控制部分. 恒流驱动部分主要是由芯片ADN2830控制，通过检测激光器的偏置电流，进而调节注入电流的大小. 主控制器通过对半导体激光器工作温度的检测确定阈值电流的变化量，进一步对恒电流驱动部分的输出电流进行增补以消除阈值电流随温度波动带来的误差.

如图3 所示，改进电路部分主要是采用主控制器STM32F103C8T6对激光器的输入电流进行补偿的电路. 在前人所述电路中，恒流源通过检测激光器的偏置电流，进而调节注入电流的大小，温度控制部分通过检测热敏电阻的反馈电压大小并利用PID调节控制TEC的工作电流大小，进而控制激光器的工作温度. 改进电路中，在恒流源和激光器之间增加补偿电路，主控制器STM32F103C8T6通过检测热敏电阻的反馈电压大小和偏置电流大小判断激光器光源处的温度变化，进一步确定阈值电流的变化，进而在恒流源输出电流的基础上对激光器的注入电流进行一定增补，以消除阈值电流变化带来的激光器输出功率波动. 另外，注入电流的增补必然导致激光器发热量的变化，因此，主控制器在增补注入电流同时对温控系统进行一定干预.

图3 改进电路总体设计框图

Fig.3 Overall design diagram of improved circuit

2.2 恒电流驱动部分电路系统设计

恒电流驱动部分电路主要通过控制芯片ADN2830进行控制和调节小功率半导体激光器的输出光功率. 如图4 所示，通过设置芯片引脚PSET与GND之间的电阻值来控制输出功率的整体大小； 通过IBIAS引脚与半导体激光器相连监控激光器的偏置电流，通过与设定值比较进而调控激光器功率，可以实现半导体激光器平均光功率的闭环控制，通过改变输入半导体激光器的电流来控制和调节半导体激光器的输出光功率.

图4 恒流驱动电路设计图Fig.4 Design of constant current drive circuit

由于小功率半导体激光器的工作电流受半导体激光器工作环境影响较大，激光器的工作电流随工作环境温度的变化而波动，基于此配置，通过检测半导体激光器PD部分的偏置电流，可以实时调整半导体激光器的输入工作电流，进而达到激光器输出功率恒定的目的.

如图5 所示，在系统开始运行后，对激光器的偏置电流和工作温度进行检测，判断偏置电路与温度之间是否存在相关关系，如存在相关关系，则首先根据温度变化曲线，计算阈值电流的变化量ΔIth，再判断相关关系的相位偏差角Δα，根据ΔIth和Δα对注入电流进行一定的增补，以消除阈值电流随温度变化的改变量，保证激光器发光电流的稳定性.

图5 程序设计流程图Fig.5 Flow chart of program design

3 改进电路实验验证

为了更好地论证本文设计的系统的可行性，针对osram公司生产的PLT5-520B型半导体激光器进行了实验. 该型激光器25 ℃的典型输出功率为80 mW，波长为520 nm. 实验中，采用TEC制冷器，并将TEC的热端通过导热硅脂贴在散热齿片上. 实验在室温下进行，将PLT5-520B型半导体激光器的工作温度设定在25 ℃，控制该激光器的平均输出功率在15 mW附近，光功率测量采用THORLABS公司生产的PM100D的光功率测量仪，因该功率测量仪为非接触式测量，在测量过程中对半导体激光器的平均输出功率会有一定偏差，但对于测量半导体激光器光功率随温度变化的相对误差精度较高； 温度测量为负温度系数热敏电阻，上位机软件采用业贤科技公司上位机软件EasyHost. 在室温下，目标温度为25 ℃，实测平均功率为13.9 mW，测量结果如图6 所示.

图6 25 ℃目标温度下功率温度测试图Fig.6 Power temperature test diagram at 25 ℃ target temperature

由图6 可知，该型激光器工作温度稳定在 ±0.02 ℃ 范围，输出光功率稳定在±0.02 mW内. 对比传统激光驱动电源，在相同温度设置下，本文所设计的激光器的恒功率控制系统能明显改善输出光功率与激光器的工作温度之间的相关关系.

4 结 论

本文针对ADN8830的温度控制系统在温度控制领域上的应用，通过实验验证发现激光器的输出光功率与激光器工作温度之间存在一定的正弦波动关系，并对可能存在的关系进行分析，发现存在问题的原因是，激光器在发光过程中产生的热量通过芯片载体、 支撑基座、 外壳最终传递到温度检测探头和TEC上，使得热场分布速度下降，导致TEC温度变化的相应速度变得迟缓，故而导致温度存在正弦波动，阈值电流随温度变化而波动，进一步导致输出光功率的正弦波动性，在实验测试中表现为输出光功率与工作温度之间的正弦波动，并且相差半个波长的相位角度. 利用分析出的原因来改进电路，对激光器的注入电流进行一定的补偿，其补偿值的大小为阈值电流随温度的变化量ΔIth，相位角度为输出光功率与温度之间的相位偏差角Δα. 通过实验验证，结果表明： 改进电路设计明显改善了输出光功率与激光器的工作温度之间的相关关系，使温控精度从0.5 ℃提高到±0.02 ℃，激光器输出光功率稳定在±0.02 mW内.