[发明专利]基于热电制冷器的宽电源功耗限制型恒温控制器

说明书

技术领域

本发明属于电子技术的技术领域。特别涉及用于激光器制冷的恒温控制装置。

背景技术

在光纤通信、国防工业等领域中，各类放大器、调制器广泛使用半导体激光器作为光源，而半导体激光器是一种高功率密度、高量子效应的器件，由于存在着各种非辐射复合损耗、自由载流子吸收等损耗机制，使其电光转换效率只能达到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，而温度的升高对激光器将产生很多不利的影响，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。

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℃，器件的寿命将减少一半，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及最他的使用寿命。

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。这种控制方在操控性、精确性以及稳定性等各方面都很落后。本发明便是在这种背景下诞生的。本发明利用半导体热电制冷器(TEC，Thermoelectric Cooler)对激光器进行制冷和控温。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，可靠性高，寿命长，易于恒温等。控制部分采用双重负反馈结构，有效提高了控温精度和温度稳定性，供电电源采用宽电源可变直流输入的方式，针对不同特性的被控系统和不同参数的TEC，选取不同的供电电源，有效限制了控制器自身的内部功耗，大大提高了电源效率。本发明不但可应用于对激光器进行控温，还可应用于其它热系统的温度控制。

目前国内外已有类似产品，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、温控范围-50～+150℃，精确度±0.3℃，稳定度±0.01～0.05℃。

2、温度设定与读值解析度0.01℃。

3、可单机操作或连接PC软体操作。

4、整合控制器与驱动器，并拥有两组T-type热电偶。

5、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、温度稳定度高于0.01℃。

但是，上述的产品只有产品性能的介绍，而没有见到具体结构的公开。