如何精确把控激光器的温度(一)

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在光纤电信系统中,激光二极管用作发送信号的发射激光器,以及掺铒光纤放大器(EDFA)和半导体光放大器(SOA)的泵激光器。在这些应用中,激光器的特性(包括波长、平均光功率、效率和消光比)必须保持稳定以确保电信系统的整体性能良好。然而,这些特性取决于激光器的温度:只要温度发生漂移,波长就会改变,转换效率将会降低。要求的温度稳定性介于±0.001°C至±0.5°C,具体数值视应用而定。

为了控制温度,需要一个由热敏电阻、热电冷却器(TEC)和TEC控制器组成的环路。热敏电阻的阻值与温度成比例变化(反比或正比,取决于热敏电阻类型),当配置为分压器时,可利用它来将温度转换为电压。TEC控制器将该反馈电压与代表目标温度的基准电压进行比较,然后控制流经TEC的电流,从而调整TEC传输的热量。

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图1. 激光模块的温度控制系统

上述系统的一般框图如图1所示。激光二极管、TEC和热敏电阻位于激光模块内部。TEC控制器ADN8833或ADN8834读取热敏电阻的反馈电压,并向TEC提供驱动电压。使用微控制器监测和控制热环路。注意,热环路也可以在模拟电路中构建。ADN8834内置两个零漂移斩波放大器,可将其用作PID补偿器。

本文将说明电信系统中激光二极管热控制系统的组成,并介绍主要器件的关健规格。本文的目的是从系统角度阐述各项设计考虑,为设计人员构建一个具有良好温度控制精度、低损耗、小尺寸的高性能系统提供全局性指南。

TEC:热电冷却技术

热电冷却器包括两片表面陶瓷板,其间交替放置P型和N型半导体阵列,如图2所示。

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图2. 带散热器的TEC模块

当电流流经这些导体时,热量将在一端吸收并在另一端释放;当电流方向相反时,热传输也会反向。该过程称为珀尔帖效应。N型半导体中的载流子是电子,因此,其载流子和热量从阳极流向阴极。对面的N型半导体具有空穴载流子,热量也沿相反方向流动。

 

 

 

取一对P-N半导体对,用金属板将其连接起来,如图3所示;当电流流过时,热量将沿一个方向传输。

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图3. 珀尔帖效应:P-N半导体对的热流

改变直流电压的极性可改变热传输方向,传输的热量与电压幅度成比例。由于既简单又鲁棒,热电冷却被广泛用于电信系统的热调理。

如何选择TEC模块

选择TEC模块时,需要考虑系统中的许多因素,如环境温度、对象目标温度、热负荷、电源电压和模块的物理特性等。必须认真评估热负荷,确保所选TEC模块有足够的容量来将热量从系统泵出以维持目标温度。

TEC模块制造商在数据手册中通常会提供两条性能曲线。一条曲线显示电源电压范围内不同温差(ΔT)下的热传输容量,另一条曲线显示电源电压和ΔT的不同组合所需要的冷却/加热电流。设计人员可以估计模块的功率容量,确定它能否满足特定应用需要。

TEC控制器操作和系统设计

为了利用TEC补偿温度,TEC控制器应能根据反馈误差产生可逆差分电压,并提供适当的电压和电流限值。图4为ADN8834的简化系统框图。主要功能模块包括温度检测电路、误差放大器和补偿器、TEC电压/电流检测和限值电路、差分电压驱动器。

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                                                    图4. 单芯片TEC控制器ADN8834功能框图

 

 

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