Development of low cost two-stage high stability temperature control system for semiconductor laser
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摘要:
为了解决半导体激光器温度漂移导致输出波长偏移的问题，提出了一种双闭环分布式反馈(DFB)激光器2级温控系统。在激光器自身内部温控系统的基础上，引入了外部环境温度的环路控制系统，确保激光器能够处于稳定的工作温度范围内；以嵌入式处理器为主控制器，采用数字比例-积分-微分控制算法，结合脉冲宽度调制技术和低成本H桥芯片控制热电制冷器的加热和制冷，实现激光器温度的精确控制；环境温度不变的条件下改变激光器的控制温度，以及激光器的工作温度不变的条件下改变环境温度，并进行了温度稳定性实验。结果表明，该系统的温控精度可高达±0.03 ℃；以近红外DFB激光器进行波长稳定性实验时，连续120 min内，激光器波长变化的最大误差为0.0036 nm；电流保持不变的情况下，激光器输出波长与温度的相关系数高于0.9996。该温控系统具备高精度、低成本和紧凑体积的特点，在分子光谱、气体检测、光纤通信等领域具有一定的应用前景。
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关键词:
- 激光技术 /
- 温度控制 /
- 比例-积分-微分算法 /
- 2级系统 /
- 半导体激光器
Abstract:In order to solve the problem of semiconductor laser wavelength drift leading to output wavelength deviation, a dual-loop distributed feedback (DFB) laser two-stage temperature control system was proposed. Based on the internal temperature control system of the semiconductor laser, an external environmental temperature loop control system was introduced to ensure that the laser can operate within a stable temperature range. With an embedded processor as the main controller, a digital proportional-integral-derivative control algorithm was adopted. Combined with pulse width modulation and low-cost H-bridge chips to control the heating and cooling of thermoelectric coolers (TEC), precise control of the laser two-stage temperature was achieved. Temperature stability experiments were carried out by changing the control temperature of the laser while keeping the environmental temperature constant and changing the environmental temperature while keeping the laser operating temperature constant. The results indicate that the temperature control precision of this system can reach up to ±0.03 ℃. Wavelength stability experiments were conducted with a near-infrared DFB laser, and the results showe that the maximum wavelength error of the laser in 120 min is 0.0036 nm. Under constant current conditions, the correlation coefficient between laser output wavelength and temperature is higher than 0.9996. The temperature control system has the characteristics of high precision, low cost and compact size, and has certain application prospects in molecular spectroscopy, gas detection, fiber optics communication, and other fields.
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0. 引言
半导体激光器具有构造简单、体积小、成本低等特点，越来越广泛地应用于分子光谱测量、气体检测和通信等领域[1-2]。但是半导体激器属于温度敏感器件，其输出波长受温度影响严重，研究表明，电流保持恒定时温度每升高1 ℃，激光器的中心波长将增加0.1 nm~0.2 nm[3-4]。因此，为了保证相关测量结果的准确性，保持激光器在恒定温度具有重要研究意义。
温度控制对半导体激光器的影响主要在于影响其内部集成半导体热电制冷器(thermoelectric cooler, TEC)的工作效率以及比例-积分-微分(proportional-integral-derivative, PID)控制系统的精度和稳定性，目前国内外已有许多学者开展相关研究。例如，HE等人[5]使用MAX1968专用TEC驱动芯片使分布式反馈(distributed feedback, DFB)激光器的温控精度达到了±0.02 ℃。LI等人 和SLENDERS等人[7]分别使用ADN8834和MAX1978专用TEC驱动芯片使系统的温度稳定性优于0.1 ℃和0.0052 ℃。上述用到的专用TEC驱动芯片在获得高温控精度的同时也增加了电路成本。ZHANG等人[8]使用金属-氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide semiconductor field-effect transistor, MOSFET)组成的H桥TEC驱动电路实现了大范围(-12 ℃~120 ℃)的温度控制，最终达到了±0.1 ℃的温控精度，他们用到的H桥电路虽然温控精度没有专用TEC驱动芯片高，但其成本低、输出功率高，且能满足常规半导体激光器温度稳定性要求。此外，MU等人[9]和LIBBRECHT等人[10]利用模拟PID控制电路，分别将DFB激光器的温度误差控制在±0.05 ℃和±0.1 ℃。LI等人[11]使用数字PID算法将温度误差控制在±0.1 ℃。相比之下，模拟PID系统由放大器等硬件电路组成，响应速度快、稳定性高，但可更改性差; 数字PID系统由处理器芯片进行相关算法运算实现，灵活性强、参数整定方便。此外，模拟PID的参数是由电阻调节，而电阻元件都存在温度漂移，长时间会对PID精度造成一定影响；数字PID主要使用数字运算芯片实现，可以通过软件进行参数调整和优化，这使得数字PID更加灵活和可扩展。对于灵活性、易于调整和较低的硬件成本的需求，数字PID是更好的选择。同时，通过设计多级温控系统可以增大温度控制范围，提高系统稳定性。LIU[12]设计了2级耦合式半导体激光器温控系统，温控范围达到-20 ℃~50 ℃，温度稳定性为0.15 ℃，相比于1级系统，温度稳定性提高了一个数量级，但温控精度仍有待提高。此外，市面上的商用激光器控制器，如ILX Lightwave公司的Model LDC-3700系列和Thorlabs公司的TED200C等[13-14]，其设备能达到较高的温控精度，但普遍价格昂贵且体积大，不利于小型化应用。
本文作者设计了半导体激光器2级温控系统，在DFB激光器自身内部温控系统的基础上(1级系统)，引入了针对外部环境温度的外环控制系统(2级系统)。系统采用低成本H桥芯片DRV8251驱动两路TEC，结合数字增量式PID算法和脉冲宽度调制(pulse width modulation, PWM)技术使系统温控精度达到了±0.03 ℃。与实验室常见的商用激光器温度控制设备相比，本系统具有低成本、小型化的特点，且能满足DFB激光器温度稳定性要求，可广泛应用于分子光谱、气体检测、光纤通信等领域。
1. 整体设计
图 1a为温度控制系统整体框图。其中研究对象为可调谐半导体激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS) 的DFB激光器[15-17]，系统包括主控模块、TEC驱动模块、内环温控系统、外部模拟数字转换器模块、温度采集模块以及外环温控系统等。系统工作时，主控芯片STM32F405将采集到的激光器温度与设定温度进行比较，若误差超出允许范围，主控芯片执行PID运算计算出相应的PWM值。此时，主控芯片的定时器引脚输出脉冲信号控制驱动芯片DRV8251输出电压使激光器内TEC进行制冷或加热实现温度控制。同样地，驱动外部TEC使外环温控系统温度保持恒定，为激光器提供一个稳定的工作温度，内外两级温控系统互相配合可以实现更高精度的温度控制。
内外环温控系统如图 1b所示。内环温控系统由DFB激光器及其内部集成的TEC和负温度系数(negative temperature coefficient, NTC)热敏电阻组成。外环温控系统由铝块、TEC、PT00热敏电阻、散热片和风扇从上到下组合而成，铝块位于外环温控系统顶部，TEC安装于铝块和散热片之间，TEC制冷时, 一端吸收热量、另一端产生热量，产生的热量由散热片传导至外界空气进行散热，同时，散热片底部安装有风扇，通过风扇加速散热，进一步为TEC降温，保证外环温控系统稳定工作。内环温控系统安装在外环温控系统的铝块表面，通过螺丝和导热硅脂与铝块紧密贴合，外环温控系统产生的热量或冷量通过铝块传导至激光器为其提供恒温环境，保证内环温控系统能够高效运行。
2. 温控系统组成
2.1 温度采集电路
内环系统温度采集电路如图 2所示。由阻值为10 kΩ、精度为0.1%的电阻与激光器内的NTC热敏电阻组成分压电路对激光器温度进行采集。
激光器温度改变时，NTC电阻阻值及其两端电压随之变化，相应的电压经集成运放TLV2333进行同相放大，放大后的电压值为:
VNTC=3.3×RNTCRNTC+R9G1 (1) 式中: RNTC为NTC电阻阻值; 分压电路的输入电压值为3.3 V; G1为TLV2333的放大增益:
G1=1+R8/R10 (2) 放大后的电压输入到外部模数转换芯片ADS1115，经ADS1115转换为对应的数字量送入STM32F405芯片处理，STM32F405芯片执行相关运算得到对应的激光器温度。
外部温度采集电路如图 3所示。
采用惠斯通电桥电路，桥臂由3个阻值已知的电阻和PT100热敏电阻构成。PT100的阻值和温度呈正相关，0 ℃时为100 Ω，-200 ℃~0 ℃时PT100阻值R与温度的对应关系为:
R=R0[1+AT+BT2+C(T−100)T3] (3) 温度为0 ℃~850 ℃时阻值与温度的关系为:
R=R0(1+AT+BT2) (4) 式中: R为PT100当前阻值; R0为0 ℃时PT100阻值; T为热敏电阻当前温度; A、B和C为常系数，其中A=3.9083×10-3, B=-5.775×10-7, C=-4.183×10-12。AD623为轨到轨放大器，最大输出电压为供电电压，其放大增益为:
G2=1+100kΩRg (5) 式中: Rg为增益电阻的阻值。电桥两端电压V可由R2两端电压VR2减去R1两端电压VR1得到，即:
V=VR2−VR1=Vref (R2R2+R3−R1R1+R) (6) 式中: 回路参考电压Vref=2.5 V。由上式可得热敏电阻阻值R为:
R=R1R2/(R2+R3)−V/Vref −R1 (7) 热敏电阻PT100阻值变化时电桥产生电压，AD623放大器将微小变化的电压进行差分放大后给到外部16位分辨率的模数转换器ADS1115转换为数字信号，数字信号通过集成电路总线(inter-integrated circuit, IIC)发送到STM32F405主控芯片, 转换为对应的温度值进行后续处理。
2.2 TEC驱动电路
TEC驱动电路如图 4所示，由TEC、DRV8251驱动芯片及外围电路组成。TEC由半导体材料构成，当有电流通入时其工作端吸收热量，热沉端产生热量。内环温控系统使用DFB激光器内部集成的TEC，外环温控系统的TEC型号为TEC-04902，尺寸为20 mm×20 mm×4.5 mm，最大输出功率为10 W。DRV8251芯片内部集成了一个由三极管组成的H桥电路，使用两个DRV8251分别驱动激光器内外两级TEC工作。STM32主控芯片经PID算法计算出相应的PWM值，将PWM信号输入到DRV8251的逻辑控制端可以使其输出不同的电压，通过改变电压值来改变TEC工作电流的大小和流向，从而控制TEC制冷或加热。
2.3 PID软件控制系统
PID控制系统由比例单元、积分单元、微分单元组成，常用于自动化控制领域，PID控制系统可以通过历史数据和当前数据来调整对系统的控制使系统更加稳定[18]。PID系统的程序流程如图 5所示。上位机与STM32F405芯片进行串口通信设置激光器的温度，主控芯片将采集到的激光器温度与设定温度进行比较。若误差大于设定值则进行PID运算得到相应的PWM值，此时，主控芯片输出相应的PWM信号改变TEC电流的大小和方向，使得TEC在不同功率下进行制冷或加热从而实现温度控制的目的。
PID系统的输出值u(t)是关于输入量与被控量偏差的函数，是比例单元、积分单元和微分单元的线性组合[19]，即：
u(t)=Kpe(t)+Ki∫t0e(t)dt+Kd de(t)dt (8) 式中：Kp为比例参数; Ki为积分参数; Kd为微分参数; e(t)为当前时刻的误差; u(t)为输出量[20]。本系统采用数字增量式PID，其输出值Δu(t)为当前时刻t、t-1时刻和t-2时刻的偏差的线性组合，即:
Δu(t)=(Kp+KiΔt+KdΔt)e(t)−(Kp+2KdΔt)e(t−1)+KdΔte(t−2) (9) 式中: Δt为两次相邻采样的时间间隔。
3. 实验结果与数据分析
3.1 室温下不同设定温度稳定性实验
为了评估所设计温控系统的控制精度和稳定度，在室温环境下进行温度稳定性实验，将蝶形封装DFB激光器(1654 nm, 20 mW)接入温控系统。通过上位机与温控系统进行串口通信，将激光器温度分别设置为15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃，并记录了60 min内每个温度下的激光器温度变化。20 ℃、25 ℃、30 ℃时的数据如图 6所示。纵坐标ΔT为实际测量温度与设定温度之间的误差值。其中，图 6a为仅使用内环1级温控系统得到的激光器温度变化结果; 图 6b为使用2级温控系统得到的激光器温度变化结果。
可以看出，2级温控系统的稳定性远大于1级温控系统，使用2级温控系统时，60 min内3个温度下激光器的温度误差均稳定在±0.04 ℃内，25 ℃时温控精度可达±0.03 ℃。仅使用1级温控系统激光器的温度会随着时间的增加逐渐漂移，20 ℃的数据尤为明显，该温度下2级温控系统的温度稳定性是1级温控系统的3倍左右。这是由于设定温度(20 ℃)与室温(约26 ℃)存在较大温差导致的。为了维持激光器在20 ℃的设定温度，TEC必须耗费大量功率进行制冷，这会导致TEC热沉端产生大量热量，而这些热量无法及时散去，从而降低TEC工作效率，进一步影响整个系统的温控精度。
表 1展示了15 ℃~35 ℃内1级和2级温控系统温度的误差限。可以看出，1级温控系统温度的误差限均大于0.1 ℃，15 ℃时误差限最大为1.646 ℃，而2级温控系统温度的误差限均保持在0.08 ℃以内。对于1级温控系统，设定温度与室温相差越大，系统温度稳定性越低，对应的温度误差限越大，并且设定温度低于室温时这种现象尤其明显。以上结果表明，相比于1级温控系统，2级温控系统温度误差更小，温控范围更广，整体性能得到了极大提升，能够满足半导体激光器温度稳定性的要求。
表 1 15 ℃~35 ℃内1级和2级温控系统温度误差限Table 1. Margin of error for one-stage and two-stage system between 15 ℃~35 ℃temperature/℃ margin of error/℃ one-stage two-stage 15 1.646 0.064 20 0.232 0.078 25 0.101 0.052 30 0.109 0.075 35 0.180 0.079 3.2 环境温度对温控系统的影响
实验测试了环境温度变化对温控系统的影响。将温控系统放入高低温试验箱中，激光器温度设置为25 ℃，高低温试验箱温度分别设置为15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃，记录每个温度下60 min内激光器温度的变化，结果如图 7所示。可以看出，环境温度从15 ℃升高到35 ℃的过程中，激光器温度均稳定在25 ℃±0.04 ℃以内，表明外界环境温度变化时激光器仍然可以保持较高的稳定性。这一结果归功于外环温控系统最大限度地减小了环境温度对内环温控系统的影响，保证激光器温度在较长时间内保持稳定。
![图 7 环境温度对温控系统的影响]()
图 7 环境温度对温控系统的影响Figure 7. Impact of ambient temperature on temperature control system3.3 波长稳定性实验
将DFB激光器的温度控制在25℃，驱动电流设置为50 mA，通过分束器将1%的激光器发射光接入Bristol Instruments公司的高精度波长计(型号621B, 精度为±0.00075 nm)，进行激光输出波长稳定性测试，实验结果如图 8所示。可以看出，在120 min的时间内，激光器输出波长的最大偏移为0.0036 nm，证明了系统具有良好的稳定性，能够满足激光精密测量中对波长精度的要求。
研究表明，电流恒定时，激光器输出波长与温度应满足线性关系，因此良好的线性关系可以反映激光器的出光性能。实验中，分别测量了24 ℃、25 ℃、26 ℃、27 ℃、28 ℃(电流分别为40 mA、50 mA、60 mA、70 mA、80 mA)时激光器输出中心波长的变化，结果如图 9所示。结果表明，电流固定不变时，激光器的中心波长和温度呈线性关系。分别对不同温度下的实验数据进行线性拟合，得到的皮尔逊相关系数最小为0.99969，表明激光器的输出波长与温度有非常强的线性关系，满足激光器波长调制时温度调谐的需求。
![图 9 激光器中心波长与温度的关系]()
图 9 激光器中心波长与温度的关系Figure 9. Relationship between central wavelength of laser and temperature4. 结论
提出一种双闭环DFB激光器2级温控系统，在激光器原有内部温控系统的基础上增加外环温控系统，确保激光器工作在稳定的温度范围内。相较于1级系统，2级系统的使用提高了激光器的温控范围，减小了温度误差。采用数字PID算法，结合脉冲宽度调制技术和低成本H桥芯片可以使激光器温控精度达到±0.03 ℃。波长稳定性实验表明，温控系统能够在较长时间内保持稳定，在接入温控系统的情况下，120 min内DFB激光器中心波长变化的最大误差为0.0036 nm，激光器输出波长与温度的相关系数高于0.9996。本系统具有温控精度高、成本低、小型化等特点，可应用于分子光谱、气体检测、光纤通信等领域。
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图 7 环境温度对温控系统的影响
Figure 7. Impact of ambient temperature on temperature control system
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图 9 激光器中心波长与温度的关系
Figure 9. Relationship between central wavelength of laser and temperature
表 1 15 ℃~35 ℃内1级和2级温控系统温度误差限
Table 1 Margin of error for one-stage and two-stage system between 15 ℃~35 ℃
temperature/℃ margin of error/℃ one-stage two-stage 15 1.646 0.064 20 0.232 0.078 25 0.101 0.052 30 0.109 0.075 35 0.180 0.079 
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