双通道分布反馈式激光器温度控制仪的研制
2021-01-12王研李彬冀楠
◎王研 李彬 冀楠
研制了基于分布反馈式激光器的温度控制电路,用于实现激光器的恒温控制。激光器在恒温控制下,可以实现输出波长的稳定性。电路中使用AND8831作为TEC控制器,实验结果验证了研制电路的稳定性,并通过光谱测试,验证了温度控制的有效性和可靠性,研究成果能够为分布反馈式激光器领域的应用提供参考。
引言:近年来,分布反馈式激光器(Distributed Feedback,DFB)在光纤通信、光电检测领域得到长足的发展。温度对激光器的工作特性至关重要,基于激光器的内部结构,波长随光栅反射区折射率的改变而发生变化。在注入电流一定时,通过调谐温度可以改变DFB激光器的光栅周期及有效折射率,进而改变其输出波长。另外,当激光器温度变化而注入电流不变时,还会引起光功率的变化。在进行气体检测时,必须对激光器温度进行定点恒温控制,否则环境温度变化及工作时激光器内部产生的热量会使得激光器输出中心波长漂移。综上所述,高性能的激光器温控系统对提高检测精度十分重要。
因此本文针对分布反馈式激光器开展相关测试实验,并通过自主研制电路的方法,设计并制作分布反馈式激光器温度控制电路,为光电检测领域的工作提供参考。
一、设计方案与器件选型
目前,温度控制电路有两种设计方法,一种是使用分立电子元件设计温控电路,另一种是使用集成芯片设计温控电路。使用分立元件设计电路的成本较低,但电路体积较大,且由于电子元件过多,电路功耗和故障率难以得到保障。使用高集成度的专用激光器温度控制芯片,可以提高温控电路的稳定性和控制精度。根据温度自动调节的方式,激光器温度控制芯片可分为数字PID算法、模拟PID算法两种,以数字PID算法为代表的有Maxim Integrated公司的MAX1968等,以模拟PID算法为代表的有ADI(Analog Devices,Inc。)公司的ADN8830、ADN8831等。基于模拟PID算法的温度控制电路响应速度快、温度控制精度高,且不需要占用大量的软件资源。系统中采用美国ADI公司的ADN8831芯片对激光器温度进行控制。ADN8831是一款高性能的TEC控制芯片,具有出色的温度控制分辨率,控制精度可以达到0。01℃,芯片内部集成了两个具有自归零、自校准、低温飘的高精度放大器(chop1,chop2),用于温度监测和热环路补偿。芯片体积较小,封装形式为5 mm×5 mm 32-lead LFCSP。
图1 ADN8831激光器温度控制电路原理图
二、光谱测试
图2(a)中,CO激光器的温度恒温控制在45℃,改变激光器的注入电流并对光谱进行测试,电流变化范围为40~80 mA,如图可见,当温度一定时,激光器的中心波长随电流的升高而加大,而且光强变化受电流影响很大,注入电流增加时光强明显增强。根据光谱测试,CO激光器的电流调谐系数为0.00663 nm/mA(T=45℃)。图2(b)中,CH4激光器的温度恒温控制在25℃,同样,调节驱动电流的大小并对光谱进行测试,如图可见,CH4激光器的电流调谐系数为0.00140 nm/mA(T=25℃)。
结论:本文研制了基于分布反馈式激光器的温度控制电路,并开展了光谱测试实验。通过实验验证了电路的有效性,研究成果可进一步优化,为低成本、高可靠性的激光器驱动方案提供参考设计。