大功率半导体激光器光纤耦合模块温度控制技术

大功率半导体激光器光纤耦合模块温度控制技术

王宽

天津市河西区 中国电子科技集团公司第四十六研究所 300220

摘要：近年来我国科技水平、经济水平、文化水平等不断提升，进而我国医疗行业、航天事业等发展均较为迅速，半导体激光器为新型能源，不仅可用于医疗行业、航天事业中，同时还可用于军事行业、美容行业、材料处理等各行业中，高效促进各行各业的有效发展，但在此过程中温度差异对半导体激光器的使用产生较大影响，对此需及时研制出相关温度控制技术，尽可能减少温度对其不利影响。

关键词：大功率；半导体；激光器；光纤耦合模块；温度；采集电路；制冷器；转换模块

通过相关研究发现，温度较大差异不仅对半导体激光器输出波长产生较大影响，同时对其使用寿命也产生重要影响。而半导体激光器的使用途径均较为重要，对此半导体激光器温控系统的合理设定至关重要。而在进行具体温度控制技术设计过程中，相关人员还需根据温控系统的原理、结构等进行全方面考量，进而促使温控系统设计全面性与合理性。

一、大功率半导体激光器温控系统的基本原理与结构

大功率半导体激光器温控系统的基本原理主要为通过促使半导体制冷器直接性接触半导体激光器光纤耦合模块并在半导体激光器光纤耦合模块内壁放置相应温度传感器PT100，进而促使半导体激光器光纤耦合模块内具体温度变化可及时被温度传感器PT100实时监测，受光纤耦合模块温度变化影响温度传感器PT100所展现表示温度的电压信号可通过差分放大器释放出相应差分电压信号，其经过相应处理再经过TEC驱动模块进行进一步信号传递。半导体制冷器制冷或加热主要是依据电流具体流动方向进行相应转化，通过及时对电流方向的有效改变可促使半导体激光器光纤耦合模块温度始终不断接近或达到预设温度，进而可促使温度控制效果不断提升。在进行大功率半导体激光器光纤耦合模块温度控制过程中，半导体制冷器TEC的效果性与热敏电阻PT100精准性至关重要，对此工作人员可及时利用导热硅脂对散热片与半导体制冷器TEC的热端之间、光纤耦合模块热沉与半导体制冷器TEC间等进行全面填充，进而促使半导体制冷器的散热效果与巨热效果均得到有效保障，进而促使其温度控制效果性与精准性均不断提高[1]。

由于半导体具体温度主要是通过热敏电阻进行具体反馈，同时热敏电阻受电流影响，进而促使最终温度监测精准性较差，对此为改善此现象，需利用恒流源作为温度传感器供电源。利用放大电路对温度传感器传递温度进行放大处理再对其信号进行模拟转换最后形成数字信号，在对数字信号进行相应处理并对比预设温度，其后将数字信号转换为模拟信号进而对半导体制冷驱动进行任务传达，促使其及时反馈半导体制冷器具体发挥的加热或制冷功能，进而促使激光器光纤耦合模块的温度更具有稳定性与合格性，促使其作用化可得到最大程度体现。

二、合理选择半导体制冷器

半导体制冷器的合理选择对激光器光纤耦合模块温度控制效果产生直接影响，对此工作人员还需加强对被控制温度器件的重视度与考量力度，进而工作人员需及时了解相关器件的输出功率、输入功率、光电转换效率等，并以此计算出具体废热量，进而以此考量半导体制冷器的具体制冷效果。

三、温度采集电路的有效设计

在常规温控系统设计过程中温度指示器件通常采用温度传感器实现，其中含有相应铂电阻与数字芯片等，热电偶与热电阻均为较为常见传感器。在进行本次大功率半导体激光器光纤耦合模块温控系统设计时主要将热敏电阻作为温度传感器，其对温度敏感性明显较高，其阻值严格随周围环境温度变化而变化。通常热敏电阻主要分为正温度系数热敏电阻与负温度系数热敏电阻，其中正温度系数热敏电阻的使用率相对较高，通常将PT100作为半导体激光器光纤耦合模块的温控系统温度指示器件，当其温度为0℃时，电阻值通常为100Ω，在此基础上每升高1℃，电阻值也会增加0.385Ω，伴随温度不断升高，电阻值也会不断增大，反之，电阻值也会随之不断降低。在进行温控系统设计过程中为促使其工作效率不断提升，进而需将PT100阻值变化转化为电压变化，然而受欧姆定律影响对温度控制精度也会产生一定影响，对此需借助恒流源促使与PT100相关电流均具有显著稳定性，在此过程中恒流源电流值设定为0.5mA，若恒流源电流值较小时可促使传感器两侧电压变化幅度也明显变小，测量输出信号也随之减小，严重影响温度测量精准性，反之若电流值较大时可促使恒流源与热敏电阻电流产生热效应存在较大差异，同样对温度测量精准性产生较大差异，故而恒流源电流值设定为0.5mA具有较高科学性、合理性等，可促使后续温度测量精准性得到高效保障[2]。

四、信号放大电路

信号放大电路主要可分为前置放大电路与差分放大电路，前置放大器具有可输入阻抗值较高特点，可促使微弱温度信号及时被有效捕捉、检测等，对温度控制具有显著促进作用。差分放大电路对温度信号具有50倍放大作用，进而可能促使电压存在失调现象，对温度采样与温度控制均具有一定不利影响，进而在进行信号放大电路选择过程中通常会选择前置放大电路，尽可能降低对温度采样与温度控制的不利影响。

五、转换模块设计

当表示温度的电压信号依次经过测量、放大、滤波等相关处理后，为促使相关控制器信号及时被分析、处理，便于后续温度有效控制，进而还需及时将信号模拟量及时转换为数字量，在此过程中转换器性能参数至关重要，其中包含线性度设定、转换时间设定、分辨率设定即转换误差设定等，其中分辨率合理设定对数字量精准性具有重要影响。在进行具体转化模块设定过程中主要包含模数转换模块设计与数模转换模块设计，模数转换模块设计过程中LTC1864为常用芯片，位数为16为，供电方式为单电源供电，电压为5V，供电电流为850μA，其数值相对较低，转换速率为250ksps，此芯片还具有差分输入、对I/O口的SPI接口具有明显兼容性、转换速率小于1ksps时可将供电电流自动降至2μA等特点，同时其还主要适用于远程数据采集、小心便携式仪器、高速数据采集即低功耗电池供电仪器中等，充分保证其功效性与安全性等；在进行数模转换模块设计过程中通常所使用芯片为LTC1655芯片，其可实现16位轨对轨电压输出、对内外部电压具有明显可选择性、供电电流为600μA、最大DNL误差可为±1LSB、上电复位后芯片输出可为0V等，对温度控制具有明显促进作用[3]。

六、TEC驱动模块设计

在进行TEC驱动模块选择时需从其集成效果、精准性、组件状况、操作难度等多方面进行考量，进而可促使温度控制效率可不断提升。Max 1968为半导体制冷器中较为常用驱动模块，内部包含有热控制环路与FET等，可有效避免外部元件产生扩展现象，同时也可促使其工作效率明显提升；Max 1968的纹波消除方案具有一定独特性，同时其转换频率为500KHz，可促使组件的噪声与大小等均明显改善，进而促使其价值性不断彰显；Max 1968可直接控制电流进而可充分保障半导体激光器电流稳定性，促使其运转安全；Max 1968中FETS可促使外部器件也可有效减少，进而促使半导体激光器的使用效率不断提升。除此之外，Max 1968还具有性价比较高、操作简单的特点，可促使其使用效率再次显著提升。

结束语

半导体激光器具有功耗小、体积小、结构简单、重量轻、安全性高、适用领域广泛、转换效率高等特点，符合当下“节能”、“环保”、“可持续发展”等要求，同时其使用领域对我国经济发展、综合国力提升、国际影响力加强等均具有一定影响，对此还需不断加强对半导体激光器重视度与研究力度，促使其使用效率、使用性能与使用安全性等均不断提升。

参考文献

[1]刘力宁,高欣,张晓磊,等.基于多波长合束技术的光纤耦合模块设计[J].长春理工大学学报（自然科学版）,2018,41(1):5-7,12.

[2]刘翠翠,井红旗,倪羽茜,等.915nm/974nm单发射区半导体激光器光纤耦合模块设计[J].发光学报,2018,39(11):1598-1603.

[3]刘力宁,高欣,张晓磊,等.高亮度大功率半导体激光器光纤耦合模块[J].发光学报,2018,39(2):196-201.