浅析高精度VCSEL红外激光器自动温控系统设计

万金平　黄鸿

【摘 要】依附于半导体致冷器的温控原理，分析了以半导体致冷器ADN8831为基础的温控系统电路设计，在此基础上匹配于实际，对垂直腔表面发射型红外激光器在温控环境中的工作情况与温控水平予以测试。结果显示： 垂直腔表面发射型红外红外激光器在温控环境中工作状态平稳，且性能不受影响；而我们研发的自动温控系统具有一定的控制精度，超过0.01摄氏度，同时有较快的响应速率，适用于垂直腔表面发射型红外激光器的温控要求。

【关键词】高精度；VCSEL红外激光器；自动温控系统；研发

垂直腔表面发射激光器VCSEL（Vertical cavity surface emitting laser）是近年来迅速发展起来的一种新型的有源半导体激光器件。较之常规的激光器，垂直腔表面发射型激光器的优势为：发散角小、单纵模工作、相对较小的阈值电流以及高的调制频率。目前VCSE激光器的应用主要集中在小功率场合，如光通讯，光互连，计算机与光信息处理等，但事实上VCSEL器件的大功率应用领域更为广阔，例如激光测距，激光雷达，激光引信和激光医疗等。由于温度对于垂直腔面发射红外激光器的输出能力，如功率、波长等均存在内质联系，这种联系在VCSEL红外激光器应用于大功率应用领域时的影响更为明显，因此，设计高精度的VCSEL激光器自动温控系统，对于VCSEL红外激光芯片的稳定使用具有重要意义，本文以此作为切入点，在此基础上予以深入的探究，相关内容如下所述。

1 半导体制冷器的温度控制简述

此次研究的驱动器件为795nm纳米波长的短波单模垂直腔面发射红外激光器，内部集成了用于温度检测的NTC热敏电阻，同时还集成了能够予以温度控制的半导体热电制冷器。

半导体致冷器即为半导体型P-N结器件，当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端；由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定，通过端口的发热或致冷，可以对其接触的物体予以制热及制冷。

本文在对半导体致冷器进行温度控制时，使用热敏电阻做为VCESL红外激光器管芯温度的检测器件。在此基础上和需要的温度值予以对比进而生成一个偏压信号。此偏压信号经差分放大器予以放大，在此基础上经补偿网络对其予以反馈及补偿，最后，通过补偿的信号控制网络输出电流。在同步检测温度不超过设定温度参数的状态下，桥网络向半导体致冷器加热端输出驱动电流，进而达到加热的目的。

2 依附于ADN8831的自动温控系统设计

为了实现半导体致冷器控制方案，要采用以单片机为基础辅助以其他的器件的形式去构建控制系统，同样也能够通过集成式半导体致冷控制器予以实现。单片机方案要加设单仪器模数转换器及高精度差分放大器等配套器件，其问题在于集成度低，同时调试具有一定的难度；但是集成化的单芯片半导体致冷控制器具有高集成度，同时仅需少量辅助器件，且温控效率更高，也便于调试。因此，此次研究选取了单芯片半导体致冷控制器方案，器件选用ADN8831。

ADN8831芯片为一种具有高输出效率、依附于PMW控制模式的单芯片半导体致冷控制器。ADN8831的偏差放大电路取高精度差分放大器作为输入级，可区分超过100uV电压偏差，同时予以自校正及歸零；ADN8831具有内建PID控制网络环路，在使用过程中仅需外接电阻就能够实现精密的PID控制，经PID网络的数据调节能够深化系统的响应；晶体振荡器经调节匹配电阻，进而控制系统的开关频率；限制控制器能够限制半导体致冷器的最大加热、制冷电流与极值电压，从根本上确保了温控系统的稳定性，MOSFET驱动器选取了一半开关输出一半线性输出的技术，从根本降低了输出电流纹波，进而深化驱动器工作有效性。

3 测试与结果

通过以上设计，结合相应的恒流源电路对垂直腔表面发射激光器予以驱动，在此基础上对温控程度予以测试。匹配于所驱动的垂直腔表面发射激光器的工作温度范围，测定了常温环境中垂直腔表面发射激光器在三十摄氏度至八十五摄氏度区间的温控性能。

结果见图1，即温控平衡状态下ADN8831的引脚4与5之间的压差曲线。依附于数据手册，压差在大小介于100mV间即处于稳定，而压差越低证明其温控精度越高。按实测参数分析，工作在三十摄氏度环境下，因为和室温差距较小，温控压差基本为零。而处于三十摄氏度至八十五摄氏度之间，稳定压差0.122毫伏，这也从侧面印证了实际温控具有较高的精度。

图2是垂直腔表面发射型红外激光器的光强曲线，以40℃与80℃的测试参数为基础，激光功率降低比率为32%，但是垂直腔表面发射红外激光器标定衰减比率则为33%，通过此数据我们不难发现，垂直腔表面发射红外激光器在温控中输出功率的实测衰减量匹配于出厂标定，由此可见温控电路的优越性。

4 总结

综上所述，此次研究我们设计了一种高精度垂直腔表面发射红外激光器自动温度控制系统，此系统以ADN8831为控制基础，经半导体致冷器去调控垂直腔表面发射激光器管芯的工作温度。较之常规单片机结合模数转换器的温控设计，此系统具有高集成性、低功耗、便于调节等优势。试验证实，此温控系统温控精度超过0.01 摄氏度，且具有较快的响应速率，可以很好的达到垂直腔表面发射激光器精密温控的需求。

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