CN2713524Y - 喇曼光纤放大器的温度控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种喇曼光纤放大器的温度控制装置，采用了基于脉冲宽度调制机制(PWM)的温度控制***的设计方案，使喇曼光纤放大器中激光器的温度稳定，从而提高激光源的波长稳定性和具有较高精度，以充分发挥喇曼光纤放大器的特性。包括顺序连接的激光器温度测量单元、温度变换单元、测量放大单元、比例积分微分(PID)调节器、PWM控制器、半导体制冷器(TEC)的驱动器和TEC，激光器温度测量单元和TEC附着在激光器上。PWM机制是在所需的频率周期内，将PID调节器输出的直流控制电压调制成等幅不等宽的电压脉冲，即保持脉冲周期固定不变，而对每个脉冲周期中的正、负脉冲宽度的比例进行调节，从而控制TEC的正向电流、反向电流，实现制冷、制热。

Description

喇曼光纤放大器的温度控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种温度控制装置，更确切地说是涉及喇曼光纤放大器的温度控制装置，是一种采用了脉冲宽度调制(PWM)技术的喇曼光纤放大器的温度控制装置。

背景技术

拉曼光纤放大器(RFA)，包括泵浦源和增益介质，通常采用半导体激光二极管(LD)作为泵浦(能量)源，采用光纤作为增益介质。

现阶段，半导体激光器最大稳定的输出功率约为350mW，加之常规单模光纤(SSMF)的拉曼增益系数很小，例如，纯硅光纤的拉曼增益系数只有约1.2e-8(m/W)，因此，要获得高增益的拉曼光纤放大器，必然需要多个泵浦源共同作用。再通过精确配置所用泵浦源的波长和功率，可进一步构成宽带平坦的喇曼光纤放大器。故半导体激光器的输出功率与波长的稳定性就成了喇曼光纤放大器设计中的关键问题。

半导体激光器对温度很敏感，温度影响激光的品质，激光器的输出功率随器件温度的变化而发生很大的变化，因此半导体激光器对工作温度的稳定性有较高的要求。

在典型的喇曼光纤放大器的温度控制装置中，在激光器输出电流恒定的情况下，通过控制激光器管芯温度可以实现激光源波长的稳定。在温度控制装置电路的控制下，激光器管芯的温度可以被稳定在一个恒定的值上，普通激光器波长对其温度依赖性的典型值约为0.08nm/℃，当温度过高时将加快激光器老化甚至损坏。其主要原因是由于半导体激光器外微分量子效率(表示半导体激光器工作效率的一个参数)和阈值电流是随温度变化的。大多数正常工作的激光二极管只能被控制在一定的温度范围内。一般来讲，外微分量子效率随温度升高而下降；阈值电流随温度升高而加大，因此需要将温度控制在适合激光器工作的条件下，而且要使温度的起伏变化小于0.1℃，当激光器的温度比较稳定时，激光束的输出功率和波长才能稳定，从而使每个泵浦光所对应的喇曼增益稳定，进而得到宽带平坦的增益谱。

图1中示出一种传统使用的激光器温度控制装置的结构。由温度测量单元11、温度变换单元12、测量放大单元13、比例-积分-微分(PID)调节电路14、以MOS管为主体的TEC驱动电路15和半导体制冷器(TEC：Thermoelectric cooler controller)16构成一闭环控制电路。温度测量单元11测量激光器的温度，温度变换单元12将测量的温度转换为电压，测量放大单元13对该电压进行放大，比例-积分-微分调节电路14采用PID算法，根据比例、积分、微分系数计算出合适的输出控制信号，经驱动电路15驱动制冷器16，使激光器升温或降温(半导体制冷器具备制冷与制热能力，但要求驱动电路同时具备双向驱动能力，且温度在冷端与热端间过渡时没有死区)。

该温度控制装置利用修改控制变量误差的方法实现闭环控制，使控制过程连续。其优点是简单，和具有电流纹波小且容易设计和制造。但是这种控制装置功耗大、波长控制精度不高、电路集成度较低，从温度检测到转化为对制冷器16的制冷、制热控制，其间时间过长、控制有死区，且外界干扰容易使控制漂离最佳控制状态。

实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种喇曼光纤放大器的温度控制装置，通过采用一种新型的温度控制装置，提高激光源的波长稳定性和具有较高精度，以充分发挥喇曼光纤放大器的特性。

实现本实用新型目的的技术方案是：一种喇曼光纤放大器的温度控制装置，包括激光器温度测量单元、温度变换单元、测量放大单元、比例积分微分调节器，半导体制冷器的驱动器和半导体制冷器，激光器温度测量单元和半导体制冷器附着在所述喇曼光纤放大器中的激光器上，其特征在于：还包括一脉冲宽度调制控制器，脉冲宽度调制控制器输入端连接所述比例积分微分调节器的输出端，脉冲宽度调制控制器输出端与所述半导体制冷器的驱动器的输入端连接。

所述的激光器温度测量单元和温度变换单元包括一温度传感器、恒流源电路，基准电压设置电路和一电压比较器，恒流源电路与该温度传感器连接，温度传感器的输出端连接电压比较器一输入端，基准电压设置电路的输出端连接电压比较器的另一输入端，电压比较器输出温度变换电压，温度传感器附着在所述的激光器上。

所述的激光器温度测量单元和温度变换单元由第一电阻、第二电阻、第三电阻和一热敏电阻连接成感温电桥电路构成，热敏电阻附着在所述激光器上，感温电桥电路失去平衡状态时输出误差信号送至所述的测量放大单元。

所述的测量放大单元是一差模放大器，由两级运算放大器连接构成，对温度变换单元输出的误差信号进行差模放大。

所述的脉冲宽度调制控制器采用包括LTC1923、ADN8830、DRV594的集成PWM控制芯片。

所述半导体制冷器的驱动器采用“H”桥式电路，各由两个互补的MOS管连接成该“H”桥的左右臂，左右臂上两MOS管的串接点分别通过一低通滤波器驱动所述的半导体制冷器，该“H”桥的左右臂分别为所述的半导体制冷器提供正向电流和反向电流。

本实用新型在比例积分微分调节电路输出端与半导体制冷器的驱动器输入端间设置脉冲宽度调制控制器，由于PWM控制器本身的特性决定了所设计的基于PWM的喇曼光纤放大器的温度控制装置可具有以下优点：

传统的线性模式控制器，一般采用推挽电路作为输出级，其功率效率很低，本实用新型半导体制冷器的驱动器，采用开关管以开关模式工作，导通时电阻很小，从而有效降低了功耗；采用PID调节电路来控制PWM控制器，能够在闭环控制过程中，根据预先设定好的控制规律不停地自动调节控制量以使被控的激光器温度朝着设定的平衡状态过渡，最后达到控制温度范围内的稳定的动态平衡状态；采用PWM控制器，可保持控制脉冲周期固定不变，而对每个脉冲周期中的脉冲宽度进行调节，如使一个控制周期内的制冷时间长些，制热时间短些，通过占空比连续可变的PWM电路，可以对TEC进行连续的控制；采用PID调节电路作为PWM控制器的输入级，其自身具有的自校正、自稳零的特性(最大漂移电压低于250mV)，可提高控制精度，在典型应用中，使目标温度误差低于±0.01℃，效率优于90％，纹波电压噪声小于1％，而且还可以具有整个温度控制过程的监控功能，例如实时温度监控、温度锁定以及开关频率和相位控制等；PWM控制器里集成了所有必要的控制电路和输出驱动电路，以驱动“H”桥，和提供流向TEC的双向电流，得到了一个精确地稳定激光二极管温度的控制环。

本实用新型的TEC温度控制器，在5℃-70℃环境温度下，在整个激光二极管的工作功率范围内及低电压(3.3V)工作条件下，可使激光二极管的温度稳定在0.01℃之内。

将新型的基于PWM的高精度温度控制装置应用于喇曼光纤放大器温度控制***中进行优化设计，可防止半导体激光器的发射波长的峰值位置向长波方向移动，从而稳定了激光器的输出波长和输出功率，使放大后的光信号有更理想的增益特性，改善了高增益情况下的噪声特性，真正实现宽带放大，使喇曼光纤放大器的优势得以充分发挥。

附图说明

图1是传统使用的激光器温度控制装置结构框图；

图2是本实用新型的基于PWM的喇曼光纤放大器的温度控制装置结构框图；

图3是实现温度测量与温度变换的感温电桥电路结构及控制装置结构框图；

图4是按照图3原理设计的温度控制装置的实施电路图。

具体实施方式

本实用新型的喇曼光纤放大器的温度控制装置，采用了基于脉冲宽度调制机制(PWM)的温度控制***的设计方案，并应用于喇曼光纤放大器，来优化喇曼光纤放大器的整体性能参数。脉冲宽度调制机制是在所需的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的电压脉冲序列，即保持脉冲周期固定不变，而对每个脉冲周期中的正、负脉冲宽度的比例进行调节，以达到控制频率、电压、电流和抑制谐波的目的。

在本实用新型的PWM典型应用电路中，组成的温控***能使半导体激光器(或其他元件)的温度稳定在0.01℃之内。采用PWM调制方式，不但可大大降低***功耗，还可有效提高***稳定性和精度，优化温度测控***的整体精度和降低***成本，而且可以缩短控制时间，较好地解决了控制精度和控制时间之间的矛盾。

本实用新型的基于PWM的激光器温度控制装置，是针对喇曼光纤放大器的整体结构特点而设计的，其控制装置结构如图2中所示。包括温度传感器21、恒流源23、基准电压设置电路24、电压比较器25、偏差电压放大器22、PID调节器26、PWM控制器27、TEC驱动器28和半导体制冷器(TEC)29。温度传感器21与半导体制冷器(TEC)29均附着在半导体激光器上，分别用于检测半导体激光器的温度及对半导体激光器进行制冷、制热，使保持半导体激光器温度稳定，从而提高喇曼光纤放大器的性能。

恒流源23为温度传感器21提供恒定的工作电流，温度传感器21将采集的半导体激光器的温度转换为电压量(经放大)送电压比较器25一端，电压比较器25将该电压与基准电压设置电路24提供的设定电压进行比较，获得差值并送偏差电压放大器22放大。PID调节器26对放大后的电压差值进行比例—积分—微分调节，由PID控制算法计算出控制量，即代表输出方波的高电平，然后通过PWM控制器27输出占空比随该控制量变化而变化的方波，输出方波再经TEC驱动器(如由MOS管构成)驱动TEC的制冷与制热。

在图示装置中，充分利用了PID调节的优点，根据预先设定好的控制规律不断地自动调节控制量以使被控的激光器温度朝着设定的平衡状态过渡，最后达到在控制精度范围内的稳定的动态平衡状态。

参见图3，图中示出利用感温电桥电路设计的喇曼光纤放大器温度控制装置。包括由电阻R1、R2、R3及热敏电阻Rt连接构成的感温电桥电路31，差模放大电路32、PID电路33、PWM控制器34、TEC驱动电路35和半导体制冷器36。其中的热敏电阻Rt附着在激光器LD上，半导体制冷器36也附着在激光器LD上。

热平衡时，制冷器36调整热敏电阻Rt的温度，电桥电路31处于平衡状态(V1＝V2)，PID电路33输出恒定的电压值Vo，PWM控制器输出方波，使制冷器36在一恒定的电流下工作，用于补偿LD注入电流引起的热沉温度的升高，从而保持激光器芯片温度的恒定。

当热敏电阻Rt探测到热沉温度升高时，Rt阻值下降，感温电桥电路31的平衡状态被打破，给出一误差信号(V1-V2)，该误差信号经放大后(V3)引起PID电路输出电压Vo上升，经PWM控制器输出占空比发生变化的方波，通过增大正向制冷电流，从而使热沉温度下降，随着Rt阻值的升高，V2与V1的差距减小，直至V2＝V1，电桥恢复热平衡，LD也恢复到原来的温度。

同理，当LD温度下降时，PWM控制器会减小正向制冷电流以保持LD工作于设定温度，在LD温度很低时，PWM控制器输出占空比发生变化的方波，通过增大反向制热电流，提高LD热沉的温度，使LD恢复正常的工作状态。

上述过程充份考虑了环境温度的变化对激光器稳定性能的影响，即温度控制装置既能控制制冷又能控制制热。

半导体制冷器TEC同时具备制冷与制热的能力，但要求PWM控制器及TEC驱动器必须是真正双向的，既能提供正向制冷电流又能提供反向制热电流，并且使被控温度从冷端到热端的过渡没有死区。

参见图4，按照图3所示装置的结构设计的具体电路。包括误差测量电路，误差放大电路，PID调节电路以及PWM控制器及TEC驱动电路。

由电阻R1、R2、R3及热敏电阻Rt连接构成的感温电桥电路用于误差测量，运算放大器U1C、U1D及其***元件连接构成误差放大电路，运算放大器U2A、U2B、U2C及其***元件连接构成PID调节电路，PWM控制器则采用集成片LTC1923(还可采用ADN8830，DRV594等PWM控制芯片)，四个MOS管(WOSFET P与WOSFET N)及其***元件连接构成TEC的驱动电路。

由负温度系数热敏电阻Rt采集附于TEC上的激光器管芯温度并由感温电桥电路转换为电压差值，产生的该误差信号经差模放大和由PID电路输出控制电压，再提供给PWM控制器，PWM控制器改变输出方波的占空比，并驱动TEC制冷、制热，来稳定激光二极管的温度。

温度控制装置的反馈环路由高稳定性、低噪声的PID补偿网络构成，通过调整PID参数可以改变***响应特性。PWM控制器是温度控制装置的控制核心，其输出波形占空比最高可达96％，另一极端的最低占空比可达到0％。

TEC的驱动电路采用“H”桥式电路(采用功耗小、效率高的开关式驱动方式)，该“H”桥式电路的左、右两臂分别由两个互补的MOS管(或达林顿管)连接构成。由于要求为TEC提供双向电流：一个极性电流用于制冷，另一个极性电流用于制热，通过采用“H桥”式电路就可用单极性电源获得双向电流驱动。当“H”桥式电路每个臂上的电压相等时，桥处于平衡状态，则无电流流入TEC。

PWM控制器LTC1923是高效率的IC控制器(特性包括：控制启动的电流软启动；能减小***噪声的输出转换率控制；差分电流感测和电压放大器，以及能保护激光器并提供冗余***监控的辅助电路。其可调/同步振荡器频率可减小滤波器元件大小和***噪声)，集成有所有必须的控制电路和2组互补输出驱动器，以便驱动“H”桥，为TEC提供双向电流。温度的设置点稳定度可达0.1℃，改进型可达0.01℃。

图中“H”桥的左臂由两个互补信号驱动的MOSFET P、MOSFET N组成，“H”桥的右臂也由两个互补信号驱动的MOSFET P、MOSFET N组成，右臂上的MOSFET P、MOSFET N的驱动相位与相应左臂上的MOSFET P、MOSFET N的驱动相位相反。“H”桥的每一端驱动一个低通滤波器L，该滤波器可有效抑止开关管的滤波纹波。

本实用新型的喇曼光纤放大器的温度控制装置，基于PWM控制设计，对半导体激光器的温度进行精确有效的控制，从而使半导体激光器能在所要求的温度控制范围内稳定可靠地工作。该优化设计可防止半导体激光器的发射波长的峰值位置向长波方向移动，从而稳定了激光器的输出波长和输出功率，使放大后的光信号具有更理想的增益特性，改善了高增益情况下的噪声特性，真正实现宽带放大，从而充分发挥了喇曼光纤放大器的优势。

Claims (6)

1.一种喇曼光纤放大器的温度控制装置，包括激光器温度测量单元、温度变换单元、测量放大单元、比例积分微分调节器，半导体制冷器的驱动器和半导体制冷器，激光器温度测量单元和半导体制冷器附着在所述喇曼光纤放大器中的激光器上，其特征在于：还包括一脉冲宽度调制控制器，脉冲宽度调制控制器输入端连接所述比例积分微分调节器的输出端，脉冲宽度调制控制器输出端与所述半导体制冷器的驱动器的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的激光器温度测量单元和温度变换单元包括一温度传感器、恒流源电路，基准电压设置电路和一电压比较器，恒流源电路与该温度传感器连接，温度传感器的输出端连接电压比较器一输入端，基准电压设置电路的输出端连接电压比较器的另一输入端，电压比较器输出温度变换电压，温度传感器附着在所述的激光器上。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的激光器温度测量单元和温度变换单元由第一电阻、第二电阻、第三电阻和一热敏电阻连接成感温电桥电路构成，热敏电阻附着在所述激光器上，感温电桥电路失去平衡状态时输出误差信号送至所述的测量放大单元。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的测量放大单元是一差模放大器，由两级运算放大器连接构成，对温度变换单元输出的误差信号进行差模放大。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的脉冲宽度调制控制器采用包括LTC1923、ADN8830、DRV594的集成PWM控制芯片。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述半导体制冷器的驱动器采用“H”桥式电路，各由两个互补的MOS管连接成该“H”桥的左右臂，左右臂上两MOS管的串接点分别通过一低通滤波器驱动所述的半导体制冷器，该“H”桥的左右臂分别为所述的半导体制冷器提供正向电流和反向电流。

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