雙通道分布反饋式激光器溫度控制儀的研制

◎王研 李彬 冀楠

研制了基于分布反饋式激光器的溫度控制電路，用于實(shí)現(xiàn)激光器的恒溫控制。激光器在恒溫控制下，可以實(shí)現(xiàn)輸出波長的穩(wěn)定性。電路中使用AND8831作為TEC控制器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了研制電路的穩(wěn)定性，并通過光譜測(cè)試，驗(yàn)證了溫度控制的有效性和可靠性，研究成果能夠?yàn)榉植挤答伿郊す馄黝I(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

引言：近年來，分布反饋式激光器（Distributed Feedback，DFB）在光纖通信、光電檢測(cè)領(lǐng)域得到長足的發(fā)展。溫度對(duì)激光器的工作特性至關(guān)重要，基于激光器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，波長隨光柵反射區(qū)折射率的改變而發(fā)生變化。在注入電流一定時(shí)，通過調(diào)諧溫度可以改變DFB激光器的光柵周期及有效折射率，進(jìn)而改變其輸出波長。另外，當(dāng)激光器溫度變化而注入電流不變時(shí)，還會(huì)引起光功率的變化。在進(jìn)行氣體檢測(cè)時(shí)，必須對(duì)激光器溫度進(jìn)行定點(diǎn)恒溫控制，否則環(huán)境溫度變化及工作時(shí)激光器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量會(huì)使得激光器輸出中心波長漂移。綜上所述，高性能的激光器溫控系統(tǒng)對(duì)提高檢測(cè)精度十分重要。

因此本文針對(duì)分布反饋式激光器開展相關(guān)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并通過自主研制電路的方法，設(shè)計(jì)并制作分布反饋式激光器溫度控制電路，為光電檢測(cè)領(lǐng)域的工作提供參考。

一、設(shè)計(jì)方案與器件選型

目前，溫度控制電路有兩種設(shè)計(jì)方法，一種是使用分立電子元件設(shè)計(jì)溫控電路，另一種是使用集成芯片設(shè)計(jì)溫控電路。使用分立元件設(shè)計(jì)電路的成本較低，但電路體積較大，且由于電子元件過多，電路功耗和故障率難以得到保障。使用高集成度的專用激光器溫度控制芯片，可以提高溫控電路的穩(wěn)定性和控制精度。根據(jù)溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)的方式，激光器溫度控制芯片可分為數(shù)字PID算法、模擬PID算法兩種，以數(shù)字PID算法為代表的有Maxim Integrated公司的MAX1968等，以模擬PID算法為代表的有ADI（Analog Devices，Inc。）公司的ADN8830、ADN8831等?；谀MPID算法的溫度控制電路響應(yīng)速度快、溫度控制精度高，且不需要占用大量的軟件資源。系統(tǒng)中采用美國ADI公司的ADN8831芯片對(duì)激光器溫度進(jìn)行控制。ADN8831是一款高性能的TEC控制芯片，具有出色的溫度控制分辨率，控制精度可以達(dá)到0。01℃，芯片內(nèi)部集成了兩個(gè)具有自歸零、自校準(zhǔn)、低溫飄的高精度放大器（chop1，chop2），用于溫度監(jiān)測(cè)和熱環(huán)路補(bǔ)償。芯片體積較小，封裝形式為5 mm×5 mm 32-lead LFCSP。

圖1 ADN8831激光器溫度控制電路原理圖

二、光譜測(cè)試

圖2（a）中，CO激光器的溫度恒溫控制在45℃，改變激光器的注入電流并對(duì)光譜進(jìn)行測(cè)試，電流變化范圍為40～80 mA，如圖可見，當(dāng)溫度一定時(shí)，激光器的中心波長隨電流的升高而加大，而且光強(qiáng)變化受電流影響很大，注入電流增加時(shí)光強(qiáng)明顯增強(qiáng)。根據(jù)光譜測(cè)試，CO激光器的電流調(diào)諧系數(shù)為0.00663 nm/mA（T=45℃）。圖2（b）中，CH4激光器的溫度恒溫控制在25℃，同樣，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流的大小并對(duì)光譜進(jìn)行測(cè)試，如圖可見，CH4激光器的電流調(diào)諧系數(shù)為0.00140 nm/mA（T=25℃）。

結(jié)論：本文研制了基于分布反饋式激光器的溫度控制電路，并開展了光譜測(cè)試實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電路的有效性，研究成果可進(jìn)一步優(yōu)化，為低成本、高可靠性的激光器驅(qū)動(dòng)方案提供參考設(shè)計(jì)。