半導體激光器研究的依據(jù)及意義-Read

1、半導體激光器研究的依據(jù)及意義信息技術已成為當今全球性戰(zhàn)略技術。以光電技術和微電子技術為基礎所支持的通信和網(wǎng)絡技術已成為高技術的核心，正在深刻影響國民經(jīng)濟、國建設的各個領域。其中，半導體激光器起著舉足輕重的作用半導體激光器，其轉換效率高、體積小、重量輕、可靠性高、能直接調制以及與其它半導體器件集成的能力強等特點而成為信息技術的關鍵器件。在光譜技術、光外差探測、醫(yī)療、加工等領域得到愈來愈廣泛的應用。目前，它已是固體激光器泵浦、光纖放大器泵浦中不可替代的重要光源。但是，半導體激光器正常工作時，需要穩(wěn)定的環(huán)境溫度。環(huán)境溫度的變化以及激光器運轉時器件發(fā)熱而導致其溫度起伏，將直接影響激光器輸出功率的穩(wěn)定性

2、和運行的安全可靠性，甚至造成半導體激光器的損壞。因此，半導體激光器的驅動電源溫度控制問題越來越受到人們的重視。閥值是所有激光器所具有的特性，它標志著激光器的增益與損耗的平衡點。由于半導體激光器是直接注入電流的電子光子轉換器件，因此其閥值是常用電流密度或者電流來表示的。溫度是影響半導體激光器閥值特性的主要因素。溫度對閾值電流密度的影響由下面公式Jth(T)=Jth(Tr)exp(T-Tr)/T01.(1)給出。T為半導體激光器的工作溫度，Tr為室溫，Jth(T)為工作溫度下的閾值電流密度，Jth(Tr)為室溫下的閾值電流密度，T。是表征半導體激光器溫度穩(wěn)定性的特征溫度，它與激光器所使用的材料及結

3、構有關。溫度的變化也影響半導體激光器的激光波長，入=2nL/m1.(2)中，n為折射率，m是模數(shù)，波長入隨折射率n和長度L較大程度的影響。波長入對T微分，這里，折射率是溫度和波長的函數(shù)，即：(1/入)(d入/dT)=(1/n)(an/a入)d入/dT)n/aT)x+(1/L)(dL/dT)x10-6，可以忽略，得an/aT)x1-(X/n)(dn/dx1.(3)入)A為了寫成較容易測量的形式，將（2）式寫成m入=2nL,再對入微分，得入(dm/d入)+m=2L(dn/d入)1.(5)對于單模間隔d入s入，dm=-1,得4厶少E6空唏Mdn/d血入）i-eo綜合（4）、（6）式得（an/aT）-

4、半/（2L）（入2/入）t=1/(2nL)(2f入)1.(6)：(1/入)(d入/dT)1.(7)+(1/n)(最后一項線性膨脹(1/L)(dL/dT)(1/入)(d入/dT)=(1/n)(由此很容易看出折射率對溫度的傅賴關系以及對波長的影響般，當溫度升高時，自發(fā)射峰向長波長方向移動。如圖1.1所示圖1.1波長-溫度曲線因此，溫度控制系統(tǒng)的好壞直接影響半導體激光器的性能。國內外的研究狀況及發(fā)展趨勢目前，國內外有許多關于半導體激光驅動系統(tǒng)溫度控制的研究和文獻報道。西安的張先武和陳勝石的通信用大功率半導體激光器的溫度控制系統(tǒng)一文對半導體溫度控制系統(tǒng)作了深刻的研究，但是目前國內的溫度控制系統(tǒng)大部分還

5、是純硬件模擬電路系統(tǒng)，溫度控制還依靠直流風機和散熱器散熱，在國外近年來已逐漸將數(shù)字技術應用于半導體激光器的驅動系統(tǒng)中，如意大利的FabrizioBarone等人將數(shù)字溫控技術應用于半導體激光系統(tǒng)，獲得了土20卩K的溫度穩(wěn)定度。在傳統(tǒng)的溫控系統(tǒng)中，一般采用專用的單片機，一旦其擴展性和通用性不強，而且控制策略的實現(xiàn)和改變比較麻煩，由于單片機功能限制，難以保證高精度溫控要求的實現(xiàn)，于是出現(xiàn)了利用工控機和采集卡進行控制，但必須設計相應的溫度接口濾波，信號轉換電路。在溫控策略的實現(xiàn)上一般溫控系統(tǒng)為大滯后系統(tǒng)，被空對象參數(shù)變化比較大，影響因素較多，非線性嚴重，難以建模，在對象參數(shù)變化，數(shù)學建模不精確和控制

6、環(huán)境變化時，其性能會顯著變壞。多信號和多通道高精度溫控系統(tǒng)。未來的溫度控制系統(tǒng)將朝著多信號、多通道、高精度的方向發(fā)展。本課題研究內容及實驗方案本課題主要利用單片機對溫度數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)線性化處理溫度控制及顯示進行算法研究及程序設計，結合硬件電路進行系統(tǒng)程序調試，最終實現(xiàn)對半導體激光驅動電源溫度的精確控制。根據(jù)相關知識及資料，我們的設計方案如下：1：溫度數(shù)據(jù)的采樣通過熱敏電阻來檢測溫度，將溫度轉變?yōu)殡妷盒盘?，?jīng)放大后送A/D轉換，通過A/D轉換器進行數(shù)據(jù)的采樣。根據(jù)濾波的需要，我們將進行100次采樣作為一組采樣數(shù)據(jù)?？紤]到時序的配合，A/D轉換需要延時100us。根據(jù)要求我們將編寫相應的溫度數(shù)據(jù)采

7、集子程序。2：數(shù)字濾波由于半導體激光器的工作環(huán)境對溫度非常靈敏，干擾源較多，系統(tǒng)將受到電源或機械設備的噪聲干擾。盡管大多數(shù)信號前置處理部分都接有RC低通濾波器，能最大限度地剔除50HZ或60HZ的噪聲，對于小于0.1的干擾信號（如振動）則往往需要使用防混淆濾波器。而防混淆濾波器具有非常陡峭的截止頻率，幾乎可以將頻率高于數(shù)據(jù)采集卡輸入帶寬的全部信號除去，但是對于頻率非常小的干擾信號，比如小于0.1HZ的干擾，用硬件濾波就非常困難，并且造價很高。采用數(shù)字濾波，通過計算程序對采集信號進行分析處理，以達到消除低頻干擾的目的。數(shù)字濾波有很多種，通常用得較多的有程序判斷濾波、算術平均濾波、中值濾波、一階滯

8、后濾波、防脈沖干擾濾波等。考慮到溫度變化緩慢特點，我們采用了中值濾波與算術平均濾波相結合的的濾波方法。通過中值濾波能有效地濾去由于偶然因素引起的波動或采樣開關，A/D轉換器工作不穩(wěn)定等造成的脈沖干擾。對變化緩慢的溫度量濾波效果較好。而使用算術平均濾波能有效地抑制周期性的干擾信號。除去因ADC轉換帶來的誤差數(shù)據(jù)。通過中值濾波與算術平均濾波相結合進行濾波，能更好地縮小測量值與真實值之間的誤差。具體程序算法：將100次采樣值進行排序，去除20個最大數(shù)據(jù)與20個最小數(shù)據(jù)，剩下的60個數(shù)據(jù)取平均值，即為濾波后所得值，送到處理器進行處理。根據(jù)算法編寫相應的濾波子程序。3：線性化處理由于溫度傳感器的非線性問

9、題，如熱敏電阻的的熱電阻與被測溫度之間是非線性的，從而使得所測電壓與溫度成非線性關系。為了便于顯示和數(shù)據(jù)處理，希望計算機輸出的數(shù)據(jù)與被測物理量之間的數(shù)據(jù)是線性的，因而對采集的數(shù)據(jù)需要進行線性化處理。先性化處理有很多種方法，通常用到的主要有曲線擬合法、線性插值法和二次拋物線插值法?？紤]到顯示精度，我們主要采用了分段性線性插值法實現(xiàn)線性化處理，分段線性插值法的計算只需要作乘法和加法運算，計算量小，且精度容易控制，所以我們采用。4：DDC控制與PID控制本設計以電流和溫度為控制對象，按照設計特點，采用DDC控制系統(tǒng)。用一臺單片機對多個被控參數(shù)進行巡回采樣檢測，通過模擬量輸入通道將模擬量變成數(shù)字量，結

10、果與設定值進行比較，再按PID規(guī)律或直接數(shù)字控制方法進行控制運算，再由模擬量輸出通道輸出到執(zhí)行機構對生產(chǎn)過程進行控制，使被控參數(shù)穩(wěn)定在給定值上。DDC控制系統(tǒng)的另一個優(yōu)點是靈活性大，可靠性高。因為計算機計算能力強，所以用它可以實現(xiàn)各種比較復雜的運動規(guī)律，如串級控制、前饋控制、自動選擇控制以及大滯后控制等。其中生產(chǎn)過程對應于本系統(tǒng)的驅動電源、溫控電路、致冷器以及半導體激光器的工作過程。在過程控制中，控制算法有很多種，根據(jù)溫度滯后性，我們主要采用PID控制算法。PID控制，即取偏差的比例(Proportional)、積分(Integral)、微分(Derivative)的組合控制。PID控制是連續(xù)

11、系統(tǒng)應用最廣、技術最成熟的一種控制方式，特別是在過程控制中，由于控制對象的模型未知或難以建立，用基于現(xiàn)代控制理論的控制方法既不實用又不能達到預期效果，人們常常采用PID調節(jié)器。而且隨著控制論的發(fā)展，在提出的層出不窮的各種算法中，有許多都以PID控制為基礎算法。由于PID控制器的結構簡單、性能穩(wěn)定、參數(shù)易于調整，對溫度控制效果很好。因此我們采用了PID控制算法。本系統(tǒng)將采用增量式PID算法：即Uk=Uk-1+Uk=Uk-1+Kpek+lek+D2ek上式中：w設定值；Yk第k次實際采樣值；ek=w-Yk；ek=ek-ek-1；2ek=ek-ek-1；Kp-比例系數(shù)；T采樣周期；l=T/Ti積分系

12、數(shù)；D=Td/T微分系數(shù)。為克服積分飽和，采用積分分離法，其控制算式為：EPD運算ek=w-Yk=9NYe(k)A?e(k-1)-(k-2)-0e(k)=W-YAu(k)=Pp+Pi+PdgPID各參數(shù)值PFl*e(k)u(k-1)=u(k)返冋圖2溫度控制算法流程調PD稈:序Pd=D*e(k)-2e(k-1)+e(k+1)u(k)=u(k-1)+Au(k)e(M2)=e(k),e(k-1)=e(k)Pp=P*e(k)-e(k1)調PID程序圖1PID算法流程圖另外，考慮到實驗條件的限制，PID各參數(shù)值將只能通過結合硬件通過防真與實際在線整定。主要采用試湊法確定各參數(shù)值。目標、主要特色及工作進

13、度本課題設計的目標就是通過現(xiàn)有的實驗條件和防真開發(fā)系統(tǒng)，據(jù)硬件電路的特點，完善溫度數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和溫度控制各項算法，使激光器工作溫度控制在10-50C,控制精度控制在0.5C,同時顯示精度控制在0.1C。本設計主要采用單片機實現(xiàn)溫度控制，對溫度的采樣采用了實時顯示，循環(huán)控制，溫度控制值可以由人工設定，使溫度控制變得靈活?？梢愿鶕?jù)不同的工作環(huán)境設定不同的溫度值。進度安排如下：1查閱資料、英文翻譯3月22日-4月4日第12周2寫開題報告4月5日-4月18日第34周3程序設計與防真調試4月19日-5月16日第58周4系統(tǒng)調試5月17日-5月30日第9-10周5論文撰寫與答辯5月31日6月18日第1113周參考文獻1、賈伯年俞樸.傳感器技術.南京.東南大學出版社.20002、王化祥張淑英.傳感器原理及技術.天津.天津大學出版社.20023、何立民