高穩定、強魯棒性DFB激光器溫度控制系統

陳 晨，黨敬民，黃漸強，王一丁

（吉林大學 集成光電子學國家重點聯合實驗室，長春 130012）

近年來，DFB激光器以其優異的單色性和準直性在氣體濃度檢測領域得到廣泛的應用［1－4］。DFB激光器的工作溫度變化會影響其內部材料的折射率，改變諧振腔長度，進而使得其輸出波長隨溫度變化發生漂移［5］。當溫度增加時，DFB激光器的輸出波長也會隨之增大，產生紅移。其典型輸出波長隨溫度變化的典型值為0.3～0.4 nm／℃［6］。此外，DFB激光器的工作溫度也會對其輸出光功率造成影響。當DFB激光器注入電流一定時，輸出光功率會隨著其工作溫度的升高而降低。這主要是由于DFB激光器溫度升高所引起的閾值電流增大和斜率效率減小所造成的［7］。綜上所述，在氣體檢測領域中，為了提高氣體檢測的精度，延長激光器工作壽命，對DFB激光器進行溫度控制是十分必要的。為此，本文研制了一種具有強魯棒性的DFB激光器溫度控制系統，并進行了實驗驗證。

1 溫度控制器硬件系統設計

溫度控制器系統組成框圖如圖1所示。本文采用美國TI公司的32位定點數字信號處理器TMS320LF2812為核心控制器，以數字－模擬－轉換（DAC）模塊和TEC控制模塊組成溫控控制前向通路，以熱敏電阻信號采集放大電路和模擬－數字－轉換（ADC）模塊組成溫度信息采集后向通路，從而構成完整的閉環溫度控制結構，搭建了性能優異的激光器溫度控制系統，其中熱電制冷器（TEC）為執行元件，熱敏電阻為溫度傳感元件。同時，核心控制器TMS320LF2812通過溫度信息采集后向通路來獲得DFB激光器當前的溫度信息，采用Ziegler－Nichols PID算法來調整數字控制量，最終由溫控控制前向通路實現對DFB激光器的加熱和制冷。除了溫度信息采集后向通路之外，系統的檢測電路中還包括TEC電流信息采集后向通路，使得核心控制器具有監控TEC控制電流的能力。當TEC電流過大時，控制器將關閉TEC控制芯片，以免激光器和TEC受到損傷。

圖1 溫度控制器系統組成框圖Fig.1 Block diagram of temperature controller system

1.1 溫度控制前向通路設計

TEC是DFB激光器的控溫器件，它是利用半導體材料的帕爾貼效應［8］制成的，當直流電流流經熱電制冷器時，其一端會吸收熱量，另一端會發出熱量。TEC對DFB激光器進行致冷還是加熱以及致冷、加熱的速率，分別由流經電流的方向和大小來決定。為了實現高精度的激光器溫度控制，需對流經TEC的電流進行方向和大小的精確控制。核心控制器輸出的數字量經過16位微功耗串行DAC芯片LTC1655［9］和TEC控制芯片MAX1968［10］轉換成了對應的控制電流，實現了對DFB激光器加熱和制冷的控制。圖2給出了溫度控制前向通路整體框圖。

圖2 溫度控制前向通路整體框圖Fig.2 Overall block diagram of forward channel of temperature control

1.2 溫度信息采集后向通路設計

溫度信息采集后向通路為控制器提供DFB激光器工作溫度信息和TEC控制電流信息。將激光器的工作溫度作為反饋值與設定溫度相減得出誤差值，控制器根據這個誤差值對數字控制輸出量進行調整，最終使得激光器的工作溫度穩定在設定值。根據TEC控制電流信息，控制器判斷系統的工作狀態，如發現異常，置TEC控制芯片片選信號為低，關閉TEC控制芯片。圖3給出了溫度信息采集后向通路的整體框圖。

圖3 溫度信息采集后向通路整體框圖Fig.3 Overall block diagram of backward channel of temperature data acquisition

2 Ziegler－Nichols PID算法

2.1 數字形式的位置式PID算法

微控制器只能處理離散信號，因此若想以微控制器為核心構建PID控制系統，需將PID控制算法離散化，即數字PID控制算法。在模擬PID算法的基礎上對時間t離散化，得到一系列的采樣點kT（T為采樣周期），之后，用偏差的求和運算代替積分運算，用兩次偏差的差分運算代替微分運算，可得數字形式的位置式PID控制算法:

式中:e（i）＝y（i）－r（i），為第i次采樣時輸入的系統控制偏差值；T為采樣周期；TI為積分時間常數；TD為微分時間常數。

2.2 PID參數Ziegler－Nichols工程整定方法

控制系統的過渡過程不僅與控制方案、被控對象特性等有關，也與控制算法的參數有關。在PID算法中，三個PID參數的大小和比例關系直接影響系統的性能。因此，為了獲得令人滿意的系統過渡過程，需要對參數進行優化。采用目前在工程上應用較廣泛的Ziegler－Nichols工程整定方法。

Ziegler－Nichols是一種閉環整定方法，它是根據純比例控制系統處于臨界過程時的臨界比例帶δpr和振蕩周期Tpr，利用經驗公式，求取控制算法的最佳參數。其參數整定經驗公式如表1所示。

表1 Ziegler－Nichols法參數整定經驗公式Table 1 Empirical formula of Ziegler－Nichols parameter tuning method

Ziegler－Nichols法整定PID參數的步驟如下:

（1）設置積分時間TI無窮大，微分時間TD為零，比例帶δ（δ＝1／KP）較大，開啟控制系統。

（2）待系統穩定后，逐漸減小比例帶δ，直至系統出現等幅振蕩。記錄此時的δ（即臨界比例帶δpr）和兩個波峰之間的時間（臨界振蕩周期Tpr），如圖4所示。

（3）利用表1中所示的經驗公式，計算各個參數。

3 溫度控制實驗及結果分析

圖4 Ziegler－Nichols法示意圖Fig.4 Diagram of Ziegler－Nichols method

利用該溫度控制器，對中國科學院半導體研究所研制的中心波長為1.742μm的DFB激光器做了溫度控制測試。圖5給出了搭建的DFB激光器溫度控制實驗裝置。DFB激光器采用蝶形封裝，集成了TEC和熱敏電阻，激光器溫度控制器通過杜邦線與DFB激光器相連。通信接口電路一端與激光器溫度控制器相連，另一端與計算機RS－232串口相連。

圖5 DFB激光器溫度控制實驗裝置Fig.5 DFB laser temperature control device

3.1 Ziegler－Nichols法整定PID參數實驗

首先采用P調節器進行了激光器溫度控制實驗，目的是為了尋找純比例控制系統Ziegler－Nichols的參數，對DFB激光器溫度控制器數字控制算法的參數進行整定。實驗設定調節溫度為25.0℃，令積分增益系數和微分增益系數為0，令比例增益系數由5開始逐漸增大。圖6給出了不同比例增益系數下的溫度控制實驗曲線。

從圖6可看出P調節器在進行溫度控制時存在余差，且控制余差的大小隨著比例增益系數的增大而減小；另外，當Ziegler－Nichols法比例增益系數逐漸增大時，系統振蕩逐漸加劇。在激光器控制溫度穩定后，逐漸加大比例增益系數，在KP＝75時得到了溫度控制系統的Ziegler－Nichols法臨界振蕩曲線，此時系統處于臨界過程。圖7給出了溫度控制系統的震蕩曲線，可以得出振蕩周期Tpr為4.5s。

圖6 不同Kp下的激光器溫度控制實驗曲線Fig.6 Experiment curve of laser temperature control when KPvaries

圖7 Ziegler－Nichols法臨界振蕩實驗曲線Fig.7 Critical shock experiment curve of Ziegler－Nichols method

采用Ziegler－Nichols的臨界比例帶法對溫度控制器的數字控制算法參數進行整定，即通過試驗獲得δpr和Tpr，然后按照經驗公式計算出各個參數。由上一節得到Tpr＝4.5s和Kpr＝75，則δpr＝1／Kpr＝0.0133。由表1可得:δ＝1.67δpr＝0.0223，TI＝0.5，Tpr＝2.25s，TD＝0.125，Tpr＝0.5625s。

溫度控制任務每1s運行一次，因此數字PID算法采樣周期為1s。由以上可得:KP＝1／δ＝44.84，KI＝KP×T／TI＝19.93，KD＝KP×TD／T＝25.22。

3.2 溫度控制穩定性測試實驗

將KP＝44.84、KI＝19.93、KD＝25.22帶入PID控制程序，對DFB激光器溫度控制器進行了測試，設定目標溫度為25℃。圖8給出了溫度控制器對激光器進行溫度控制的曲線。從圖8可看出溫度控制進行20s之后，激光器溫度逐漸穩定。對圖8虛線框中的曲線進行放大，得到圖9所示的曲線。從圖9可知溫度控制器運行80s后，溫度控制的精度優于0.05℃。

圖8 溫度控制實驗曲線Fig.8 Temperature control experiment curve

圖9 溫度控制實驗曲線局部放大圖Fig.9 Partial enlargement experiment curve of temperature control

同時，開展了DFB激光器溫度控制器的穩定性測試實驗。在220min的時間內，每隔一秒記錄一次激光器的溫度，并以這些采樣數據繪制出了如圖10所示的測試曲線。將1～220min的試驗數據重新繪制，得到了如圖11所示的曲線，從圖11中發現溫度控制曲線除在175min左右有一點的控制溫度與設定溫度的偏差為0.05℃，其余各點與設定溫度的偏差均小于0.05℃。

3.3 溫度控制范圍測試實驗

為了滿足項目需求，DFB溫度控制器應實現5～60℃的激光器溫度控制。對溫度控制器的溫度控制范圍進行了測試，設定目標控制溫度由0℃逐漸增加到70℃，間隔為5℃，得到了一系列溫度控制實驗曲線。實驗表明:激光器溫度控制器在5～60℃的溫度控制范圍內表現良好；當設定溫度小于5℃或大于60℃時，激光器溫度控制器會由于軟件編程和溫度傳感器采樣電路的限制而可能出現錯誤。圖12和圖13給出了目標控制溫度為5℃和60℃的溫度控制曲線。

圖10 溫度控制穩定性測試實驗曲線Fig.10 Stability testing experiment curve of temperature control

圖11 1～220min溫度控制穩定性測試實驗曲線Fig.11 Stability testing experiment curve of temperature control during 1～220min

圖12 目標控制溫度為5℃的溫度控制實驗曲線Fig.12 Experiment curve of temperature control when target temperature is 5℃

3.4 DFB激光器調諧特性模型

圖13 目標控制溫度為60℃的溫度控制實驗曲線Fig.13 Experiment curve of temperature control when target temperature is 60℃

半導體材料的折射率和帶隙對應的輻射激光波長，隨溫度、載流子濃度等變化而改變［11］。對中國科學院半導體研究所研制的中心波長為1.742μm的DFB激光器做了DFB激光器調諧特性測試。在實驗室條件下，使用光譜分析儀（Agilent:86142B）測量DFB激光器在不同溫度和不同電流條件下的輸出波長。DFB激光器的注入電流和工作溫度控制由自主研制的驅動器和溫度控制器提供，光譜儀的波長掃描范圍為1300～1900nm，分辨率為10pm。實驗分為兩部分，一是將溫度控制器工作溫度保持不變，只改變注入電流（范圍為30～80mA，步長為5mA）測量激光器輸出波長，即電流調諧譜；二是在注入電流保持不變而只改變工作溫度（范圍為20～40℃，步長為5℃）得到溫度調諧譜。其測量結果如圖14所示。

圖14 DFB激光器在不同溫度下輸出波長隨注入電流的變化曲線Fig.14 Output wavelength of DFB laser vs.injection current at different temperatures

同時，為了能夠精確預測DFB激光器在快速調諧過程中的瞬態輸出波長，利用以上實驗數據，建立了DFB激光器的注入電流－工作溫度的調諧特性解析模型圖譜，如圖15所示。

圖15 DFB激光器注入電流－工作溫度的調諧特性解析模型譜圖Fig.15 Analytical spectrum model of DFB laser tuning characteristic with injection current－operating temperature

為了進一步驗證所建立的激光器調諧特性解析模型的精確性，利用HCL氣體在該光譜波段的多個吸收譜線來測量DFB激光的波長。采用溫度調諧的DFB激光器吸收光譜實驗系統設定參數如下:DFB激光器的注入電流設定為50 mA，TEC驅動電流分別設定為0.9、1.0、1.2A，熱敏電阻的工作電流設定為100μA，HCL氣體的體積分數為10%。將激光器調諧特性解析模型得出的預測波長與HITRAN光譜數據庫［12］波長數據進行比較，結果如表2所示。

由表2可見，解析模型波長預測值與HITRAN譜圖中HCL氣體吸收線的誤差僅在3 pm內，比現有光譜儀的最高分辨率（10pm）還要高。

3.5 溫度控制器動態性能

在實際應用中，往往由于環境溫度突變使DFB激光器輸出波長跳變，同時會引起系統輸出參數的突變，因此需要對本DFB溫度控制器的動態性能進行評估。測試條件如下:在室溫條件下，DFB激光器的注入電流為50mA，TEC驅動電流為1.0A，熱敏電阻的工作電流為100μA，利用DFB溫度控制器使DFB激光器工作在目標溫度30℃，然后調節溫度箱使環境溫度降至10℃和升高至50℃，DFB激光器工作溫度響應曲線如圖16所示。當環境溫度由30℃突降至10℃時，DFB激光器工作溫度最低突降至28.76℃，熱響應時間為20s，熱動態誤差為4.1%。當環境溫度由30℃突升至50℃時，DFB激光器工作溫度最高突變至31.32℃，熱響應時間為20s，熱動態誤差為4.4%。同時，由本文建立的DFB激光器調諧特性解析模型譜圖可計算出DFB激光器輸出波長波動值分別為0.124nm（28.76 ℃）和0.132nm（31.32℃）。系統動態精確度能夠滿足光譜分析、光學相干測量等實際應用的要求。

表2 在不同TEC驅動電流下的波長預測結果與HITRAN譜庫結果的比較Table 2 Comparison of absorption spectrum between estimated data and HITRAN data under different drive currents of TEC

圖16 DFB激光器在環境溫度突變下的工作溫度響應曲線Fig.16 Temperature response curve of DFB lasers under mutation of circumstancet temperature

4 結束語

設計并研制了一種基于Ziegler－Nichols PID算法的高穩定性DFB激光器溫度控制系統，給出了詳細的硬件原理圖和穩流控制算法。實驗結果顯示，該DFB激光器溫度控制器的控制精度為±0.05℃，溫度控制范圍為5～60℃，系統進入設定溫度±1℃偏差的時間小于30s，滿足系統指標要求。應用該溫度控制系統以及DFB激光器做了HCl氣體濃度檢測實驗，結果表明，在長時間（220min）運行中，DFB激光器工作狀態穩定，中心波長未出現漂移，為DFB激光器在紅外氣體檢測領域的實用化提供了性能保障。本文所研制的DFB激光器溫度控制系統可應用于基于DFB激光器的紅外氣體檢測系統。

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