半導(dǎo)體激光器研究的依據(jù)及意義-Read0001

1、半導(dǎo)體激光器研究的依據(jù)及意義信息技術(shù)已成為當(dāng)今全球性戰(zhàn)略技術(shù)。以光電技術(shù)和微電子技術(shù)為基礎(chǔ)所支持的通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已成為高技術(shù)的核心，正在深刻影響國民經(jīng)濟(jì)、國建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域。其中，半導(dǎo)體激光器起著舉足輕重的作用半導(dǎo)體激光器，其轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、可靠性高、能直接調(diào)制以及與其它半導(dǎo)體器件集成的能力強(qiáng)等特點(diǎn)而成為信息技術(shù)的關(guān)鍵器件。在光譜技術(shù)、光外差探測(cè)、醫(yī)療、加工等領(lǐng)域得到愈來愈廣泛的應(yīng)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(dǎo)體激光器正常工作時(shí)，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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)器件發(fā)熱而導(dǎo)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(yùn)行的安全可靠性，甚至造成半導(dǎo)體激光器的損壞。因此，半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)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(biāo)志著激光器的增益與損耗的平衡點(diǎn)。由于半導(dǎo)體激光器是直接注入電流的電子光子轉(zhuǎn)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(dǎo)體激光器閥值特性的主要因素。溫度對(duì)閾值電流密度的影響由下面公式J(T)=J(T)exp(T-T)/T1.ththrr0(1)給出。T為半導(dǎo)體激光器的工作溫度，T為室溫，J(T)為工作溫度rth下的閾值電流密度，J(T)為室溫下的閾值電流密度，T是表征半導(dǎo)thr0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(jié)

3、構(gòu)有關(guān)。溫度的變化也影響半導(dǎo)體激光器的激光波長，A=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(duì)T微分，這里，折射率是溫度和波長的函數(shù)，即：(1/A)(dA/dT)=(1/n)(an/aA)(dA/dT)T+(1/n)(an/aT)+(1/L)(dL/dT)1.(3)A最后一項(xiàng)線性膨脹(1/L)(dL/dT)疋10-6，可以忽略，得(1/A)(dA/dT)=(1/n)(an/aT)1-(A/n)(dn/dA)-1AT1.(4)為了寫成較容易測(cè)量的形式，將(2)式寫成m入=2nL,再對(duì)入微分，得A(dm/dA)+m=2L(dn/dA)1.(5)對(duì)

4、于單模間隔d入s入，dm=-1,得1j(A/n)(dn/dA)L=1/(2nL)(A2/AA)T1.(6)1三匚iiMHcawrn綜合(4)、()式得、(an/aT)gA由此很容易看出折射率對(duì)溫度的依賴關(guān)系以及對(duì)波長的影響。一TCK-)般，當(dāng)溫度升高時(shí)，自發(fā)射峰向長波長方向移動(dòng)。如圖1.1所示。得.1/(2L)(A2/AA)(17A)(dA/dT)1.(7)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(dǎo)體激光器的性能。國內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢(shì)目前，國內(nèi)外有許多關(guān)于半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)溫度控制的研究和文獻(xiàn)報(bào)道。西安的張先武和陳勝石的通信用大功率半導(dǎo)體激光器的溫度控制系統(tǒng)一文對(duì)半導(dǎo)體溫

5、度控制系統(tǒng)作了深刻的研究，但是目前國內(nèi)的溫度控制系統(tǒng)大部分還是純硬件模擬電路系統(tǒng)，溫度控制還依靠直流風(fēng)機(jī)和散熱器散熱，在國外近年來已逐漸將數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，如意大利的FabrizioBarone等人將數(shù)字溫控技術(shù)應(yīng)用于半導(dǎo)體激光系統(tǒng)，獲得了土20pK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(jī)，一旦其擴(kuò)展性和通用性不強(qiáng)，而且控制策略的實(shí)現(xiàn)和改變比較麻煩，由于單片機(jī)功能限制，難以保證高精度溫控要求的實(shí)現(xiàn)，于是出現(xiàn)了利用工控機(jī)和采集卡進(jìn)行控制，但必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的溫度接口濾波，信號(hào)轉(zhuǎn)換電路。在溫控策略的實(shí)現(xiàn)上一般溫控系統(tǒng)為大滯后系統(tǒng)，被空對(duì)象參數(shù)變化比較大，影響因素較多

6、，非線性嚴(yán)重，難以建模，在對(duì)象參數(shù)變化，數(shù)學(xué)建模不精確和控制環(huán)境變化時(shí)，其性能會(huì)顯著變壞。多信號(hào)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(hào)、多通道、高精度的方向發(fā)展。本課題研究內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案本課題主要利用單片機(jī)對(duì)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(jìn)行算法研究及程序設(shè)計(jì)，結(jié)合硬件電路進(jìn)行系統(tǒng)程序調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)電源溫度的精確控制。根據(jù)相關(guān)知識(shí)及資料，我們的設(shè)計(jì)方案如下：1：溫度數(shù)據(jù)的采樣通過熱敏電阻來檢測(cè)溫度，將溫度轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，經(jīng)放大后送A/D轉(zhuǎn)換，通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采樣。根據(jù)濾波的需要，我們將進(jìn)行100次采樣作為一組采樣數(shù)據(jù)?？紤]到時(shí)序的配合，A

7、/D轉(zhuǎn)換需要延時(shí)100us。根據(jù)要求我們將編寫相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)采集子程序。2：數(shù)字濾波由于半導(dǎo)體激光器的工作環(huán)境對(duì)溫度非常靈敏，干擾源較多，系統(tǒng)將受到電源或機(jī)械設(shè)備的噪聲干擾。盡管大多數(shù)信號(hào)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(duì)于小于0.1的干擾信號(hào)（如振動(dòng)）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(hào)除去，但是對(duì)于頻率非常小的干擾信號(hào)，比如小于0.1HZ的干擾，用硬件濾波就非常困難，并且造價(jià)很高。采用數(shù)字濾波，通過計(jì)算程序?qū)Σ杉盘?hào)進(jìn)行分析處理，以達(dá)到消除低頻干擾的目的。數(shù)字濾波有很多種

8、，通常用得較多的有程序判斷濾波、算術(shù)平均濾波、中值濾波、一階滯后濾波、防脈沖干擾濾波等?？紤]到溫度變化緩慢特點(diǎn)，我們采用了中值濾波與算術(shù)平均濾波相結(jié)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(dòng)或采樣開關(guān)，A/D轉(zhuǎn)換器工作不穩(wěn)定等造成的脈沖干擾。對(duì)變化緩慢的溫度量濾波效果較好。而使用算術(shù)平均濾波能有效地抑制周期性的干擾信號(hào)。除去因ADC轉(zhuǎn)換帶來的誤差數(shù)據(jù)。通過中值濾波與算術(shù)平均濾波相結(jié)合進(jìn)行濾波，能更好地縮小測(cè)量值與真實(shí)值之間的誤差。具體程序算法：將100次采樣值進(jìn)行排序，去除20個(gè)最大數(shù)據(jù)與20個(gè)最小數(shù)據(jù)，剩下的60個(gè)數(shù)據(jù)取平均值，即為濾波后所得值，送到處理器進(jìn)行處理。根據(jù)算

9、法編寫相應(yīng)的濾波子程序。3：線性化處理由于溫度傳感器的非線性問題，如熱敏電阻的的熱電阻與被測(cè)溫度之間是非線性的，從而使得所測(cè)電壓與溫度成非線性關(guān)系。為了便于顯示和數(shù)據(jù)處理，希望計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)據(jù)與被測(cè)物理量之間的數(shù)據(jù)是線性的，因而對(duì)采集的數(shù)據(jù)需要進(jìn)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(shí)現(xiàn)線性化處理，分段線性插值法的計(jì)算只需要作乘法和加法運(yùn)算，計(jì)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(shè)計(jì)以電流和溫度為控制對(duì)象，按照設(shè)計(jì)特點(diǎn)，采用DDC控制系統(tǒng)。用一臺(tái)單片機(jī)對(duì)多個(gè)被控

10、參數(shù)進(jìn)行巡回采樣檢測(cè)，通過模擬量輸入通道將模擬量變成數(shù)字量，結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比較，再按PID規(guī)律或直接數(shù)字控制方法進(jìn)行控制運(yùn)算，再由模擬量輸出通道輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是靈活性大，可靠性高。因?yàn)橛?jì)算機(jī)計(jì)算能力強(qiáng)，所以用它可以實(shí)現(xiàn)各種比較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如串級(jí)控制、前饋控制、自動(dòng)選擇控制以及大滯后控制等。其中生產(chǎn)過程對(duì)應(yīng)于本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電源、溫控電路、致冷器以及半導(dǎo)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(Integra

11、l)、微分(Derivative)的組合控制。PID控制是連續(xù)系統(tǒng)應(yīng)用最廣、技術(shù)最成熟的一種控制方式，特別是在過程控制中，由于控制對(duì)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(shí)用又不能達(dá)到預(yù)期效果，人們常常采用PID調(diào)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(chǔ)算法。由于PID控制器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、參數(shù)易于調(diào)整，對(duì)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=Uk1+AUk=Uk1+KpAek+Iek+D2ek上式中：w設(shè)定值；Yk第k次實(shí)際米樣值；ek=w-Yk；Aek=ek-ek-1；A2e

12、k=Aek-Aek-1；Kp比例系數(shù)；T采樣周期；I=T/Ti積分系數(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：?PD運(yùn)算ek=w-Yk=或=?PID運(yùn)算每個(gè)回路的參數(shù)T、Kp、I和D通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試整定，可得到符合該系統(tǒng)的各參數(shù)值。PID算法流程框圖如圖1和圖2：5：系統(tǒng)調(diào)試程序編寫完后將結(jié)合硬件電路進(jìn)行防真調(diào)試及參數(shù)整定，我們主要采用偉福防真開發(fā)系統(tǒng)，偉福(WAVE)是由南京偉福實(shí)業(yè)有限公司研制生產(chǎn)的一種單片機(jī)系列仿真系統(tǒng)。防真效果很好。在調(diào)試時(shí)，我們將做一組溫度電壓數(shù)值轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)來實(shí)時(shí)顯示采樣溫度及溫度設(shè)定值的變換。圖1PID算法流程圖另外，考慮到

13、實(shí)驗(yàn)條件的限制，PID各參數(shù)值將只能通過結(jié)合硬件通過防真與實(shí)際在線整定。主要采用試湊法確定各參數(shù)值。目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度本課題設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是通過現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件和防真開發(fā)系統(tǒng)，根據(jù)硬件電路的特點(diǎn)，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(xiàng)算法，使激光器工作溫度控制在1050C,控制精度控制在0.5C,同時(shí)顯示精度控制在0.1C。本設(shè)計(jì)主要采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度控制，對(duì)溫度的采樣采用了實(shí)時(shí)顯示，循環(huán)控制，溫度控制值可以由人工設(shè)定，使溫度控制變得靈活?？梢愿鶕?jù)不同的工作環(huán)境設(shè)定不同的溫度值。進(jìn)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(bào)告4月5日4月18日第34周3程序設(shè)計(jì)與防真調(diào)試4月19日5月16日第58周4系統(tǒng)調(diào)試5月17日5月30日第910周5論文撰寫與答辯5月31日6月18日第1113周參考文獻(xiàn)1、賈伯年俞樸.傳感器技術(shù).南京.東南大學(xué)出版社.20002、王化祥張淑英.傳感器原理及技術(shù).天津.天津大學(xué)出版社.20023、