[发明专利]数字式半导体激光器恒温控制器

说明书

技术领域

本发明属于电子设备技术领域，特别涉及一种控制半导体制冷器进行制冷和恒温的电子设备。

背景技术

光纤通信系统中均使用激光二极管作为光源，半导体激光器作为一种高功率密度并且具有极高量子效率的器件，尽管其是高效率的电子-光子转换器件，但由于不可避免地存在各种非辐射复合损耗、自由载流子吸收等损耗机制，使其外微分量子效率只能达到20％～30％，这意味着相当部分注入的电功率将转化为热量，引起激光器温度升高。温度对激光器的影响主要有以下几个方面：

1、温度对阈值电流的影响：

随着温度的升高将引起阈值电流的增大，使输出功率下降，从而给激光器驱动电源的设计带来困难。

2、温度对V-I关系的影响：

当注入电流相等时，温度高的激光器对应的正向压降也大，这会给半导体激光器恒流源的设计带来困难。

3、温度对输出波长的影响：

由于有源层材料的禁带宽度随温度升高而变窄，使激射波长向长波方向移动，即红移现象。红移量与器件的结构和有源区材料有关，约为0.2～0.3nm/℃。因此，可以用适当的温度控制来微调激光的峰值波长，以满足对波长要求严格的一些应用。

4、温度对P-I曲线非线性的影响：

理想情况下，半导体激光器的P-I应该是线性曲线，PN结过热是产生非线性的原因之一。除此之外，来自于有源区中横(侧)模的不稳定性，来自外部的反射光(如从连接器，尾纤端等部位)以及与光强有关的饱和等因素也能造成非线性。其中模式的不稳定性是出现P-I曲线扭折的主要原因，这种不稳定性除了与激光器本身的结构有关外，还与温度有很大关系。

除此之外温度升高还会增加内部缺损，严重地影响器件的寿命，给应用带来很大困难。如果不将所产生的热量移去，将造成一种恶性循环，使激光器很快失效。试验表明，温度每增加25℃，器件的寿命减少一半，即使工作电流在数十毫安的半导体激光器，它却承受了10²A/cm左右的光电流密度。所以工作温度对于激光器十分重要，必须给激光器提供恒定而且能够精密调整的工作温度，才能保证激光器具有最大的效率和最小的功率波动。

以前对大功率激光器往往采用冰水循环方式制冷，通过调节热沉中循环管道内冰水的流量来达到温控的目的。这种控制方法精度不高，使用也不方便。目前多采用半导体制冷器(TEC，Thermoelectric Cooler)对激光器进行制冷和温控。半导体制冷器是一种固体制冷方式，与通常压缩机制冷系统相比，其优点是没有机械转动部分，无需制冷剂，无噪声、无污染、体积小，可小型、微型化，可靠性高，寿命长，可电流反向加热，易于恒温，现在普遍用于半导体激光器的制冷系统中。本发明也采用半导体制冷器。

目前国内外已有的与本发明类似的产品，如：

台湾致惠科技股份有限公司的CDS系列热电模组控制器，该产品的特性包括：

1、双向无段电流驱动，高功率达150W/300W，高效率达90％以上。

2、Auto tune/PID控制，控制最佳化。

3、可设定温控范围-50～+150℃，精确度+/-0.3℃，稳定度+/-0.01～0.05℃。

4、温度设定与读值解析度0.01℃。

5、可单机操作或连接PC软体操作。

6、整合控制器与驱动器，并拥有两组T-type热电偶。

7、可搭配客制化温控平台，适用于电子元件测试、光电检测、材料研究、生物科技等。

美国Wavelength Electronics Inc.的LFI3751 Temperature Control Instrument，该产品的特性包括：

1、24小时温度稳定度：0.003℃。

2、最大TEC驱动电流输出：±5安培。

3、比例系数增益范围：1～100。

4、积分时间常数范围：1～10秒。

5、微分时间常数范围：1～100秒。

6、供电电压：+115V～+230V。

7、RS-232接口。

美国ThermOptics Inc.的DN1220 Thermoelectric Cooler Controller，该产品的特性包括：

1、比例和积分控制。

2、增益与积分时间常数由一个电位器控制(无需外部提供积分电容)。

3、单电源供电：直流+5V～+12V。

4、驱动电流：±2安培。

5、独立加热和制冷电流限制调节。