基于数字 PID 的 DFB 激光器温度控制系统

doi:10.3969/j.issn.1007-5461.2025.06.007

量子电子学报 ›› 2025, Vol. 42 ›› Issue (6): 795-805.doi: 10.3969/j.issn.1007-5461.2025.06.007

基于数字 PID 的 DFB 激光器温度控制系统

余志超 1,2, 姚路 2, 阚瑞峰 2, 孙方亮 1,2, 许振宇 2, 张先燚 1*

1 安徽师范大学物理与电子信息学院, 安徽芜湖 241002; 2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽合肥 230031

收稿日期:2023-12-22 修回日期:2024-03-08 出版日期:2025-11-28 发布日期:2025-11-28
通讯作者: E-mail: xyzhang@mail.ahnu.edu.cn E-mail:xyzhang@mail.ahnu.edu.cn
作者简介:余志超 ( 1997 - ), 安徽安庆人, 研究生, 主要从事激光器温控技术方面的研究。 E-mail: zhichao_yu97@163.com
基金资助:
中国科学院合肥研究院院长基金 (YZJJ202302-CX), 中国科学院青年创新促进会 (2022451)

Temperature control system for DFB lasers based on digital PID

YU Zhichao 1,2 , YAO Lu2 , KAN Ruifeng2 , SUN Fangliang 1,2 YU Zhichao 1,2 , YAO Lu2 , KAN Ruifeng2 , SUN Fangliang 1,2 , XU Zhenyu2 , ZHANG Xianyi 1*

1 School of Physics and Electronic Information, Anhui Normal University, Wuhu 241002, China; 2 Key Laboratory of Environmental Optics and Technology, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, HFIPS, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China

Received:2023-12-22 Revised:2024-03-08 Published:2025-11-28 Online:2025-11-28

摘要/Abstract

摘要： 分布式反馈 (DFB) 半导体激光器是基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的气体传感器的核心元器件, 其输出波长稳定性受到工作温度稳定性的影响。为了让DFB激光器提供稳定可靠的光源, 本文研制了一种基于积分分离式比例-积分-微分算法的高稳定性激光器温度控制系统。该系统以激光器内部的热电制冷器 (TEC) 为控温元件, 负温度系数热敏电阻为测温元件, 分别设计了基于脉冲宽度调制技术的TEC驱动电路和高精度的温度采集电路。利用该温度控制系统, 对1654 nm的DFB激光器进行了温度控制测试。实验结果表明, 该系统的温度控制范围在 15~35 ℃, 响应时间低于13 s, 系统2 h内的温度控制精度达到 ±0.002 ℃, 温度稳定性达到0.016%。使用该温控系统, DFB激光器在运行过程中状态稳定, 输出波长的标准差为0.00011 nm。

关键词: 光电子学, 分布式反馈半导体激光器, 比例-积分-微分算法, 高稳定性, 温度控制

Abstract: Distributed feedback (DFB) semiconductor lasers are core components of gas sensors based on tunable diode laser absorption spectroscopy technology, and their output wavelength stability is affected by the stability of operating temperature. In order to provide stable and reliable light source for DFB lasers, a high stability laser temperature control system based on an integral-separated proportionalintegral-derivative (PID) algorithm has been developed in this work. Using the thermoelectric cooler (TEC) inside the laser as the temperature control element and the negative temperature coefficient thermistor as the temperature measurement element, we design a TEC driving circuit based on pulse width modulation technology and a high-precision temperature acquisition circuit for the system, Using the temperature control system, the temperature control test of 1654 nm DFB laser is carried out. The experimental results show that the temperature control range of the system is 15~35 ℃, the response time is lower than 13 s, the temperature control accuracy of the system reaches ±0.002 ℃ within 2 hours, and the temperature stability reaches 0.016%. Using this temperature control system, the DFB laser operates stably with an output wavelength standard deviation of 0.00011 nm.

Key words: optoelectronics, distributed feedback semiconductor laser, proportional-integral-derivative algorithm, high stability, temperature control

中图分类号:

TN248.4

余志超, 姚路, 阚瑞峰, 孙方亮, 许振宇, 张先燚 . 基于数字 PID 的 DFB 激光器温度控制系统[J]. 量子电子学报, 2025, 42(6): 795-805.

YU Zhichao , , YAO Lu , KAN Ruifeng , SUN Fangliang , , XU Zhenyu , ZHANG Xianyi . Temperature control system for DFB lasers based on digital PID[J]. Chinese Journal of Quantum Electronics, 2025, 42(6): 795-805.

参考文献

参考文献：
[1] Dong Fengzhong, Kan Ruifeng, Liu Wenqing, et al. Tunable diode laser absorption spectroscopic technology and its applications in air quality monitoring[J]. Chinese Journal of Quantum Electronics, 2005, (03): 315-25.
董凤忠，阚瑞峰，刘文清, 等. 可调谐二极管激光吸收光谱技术及其在大气质量监测中的应用 [J]. 量子电子学报, 2005, (03): 315-25.
[2] Nie Wei, Kan Ruifeng, Yang Chenguang, et al. Research Progress on the Application of Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy[J]. Chinese Journal of Laser, 2018, 45(09): 9-29.
聂伟, 阚瑞峰, 杨晨光, 等. 可调谐二极管激光吸收光谱技术的应用研究进展 [J]. 中国激光, 2018, 45(09): 9-29.
[3] Bolshov M A, Kuritsyn Y A, Romanovskii Y V. Tunable diode laser spectroscopy as a technique for combustion diagnostics [J]. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 2015, 106: 45-66.
[4] Liu S. Towards aerial natural gas leak detection system based on TDLAS [J]. Proceedings of SPIE, 2014, 9299: 92990X.
[5] Valentine D L, Kastner M, Wardlaw G D, et al. Biogeochemical investigations of marine methane seeps, Hydrate Ridge, Oregon [J]. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 2005, 110(G2).
[6] Maximilian Lackner. Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) in the process industries-a review[J]. Reviews in Chemical Engineering, 2007, 23(2): 65-147.
[7] Seufert J, Fischer M, Legge M, et al. DFB laser diodes in the wavelength range from 760 nm to 2.5 microm [J]. Spectrochimica acta Part A, Molecular and biomolecular spectroscopy, 2004, 60(14): 3243-7.
[8] Ma Chao. Design and Implementation of High-precision Semiconductor Laser Control System[D]. Qufu: Qufu Normal University, 2014.
马超. 高精度半导体激光器控制系统的设计与实现 [D]. 曲阜: 曲阜师范大大学2014.
[9] Chen Lianghui, Yang Guowen, Liu Yuxian. Development of Semiconductor Lasers[J]. Chinese Journal of Laser, 2020, 47(05): 13-31.
陈良惠, 杨国文, 刘育衔. 半导体激光器研究进展 [J]. 中国激光, 2020, 47(05): 13-31.
[10] Jia Yuanzheng. Research on high precision digital temperature control system [D]. Jinan: Shangdong University, 2018 (in Chinese).
贾远征. 高精度数字温控系统的研究 [D]. 济南: 山东大学 2018.
[11] Luo Liang, Hu Jiacheng, Wang Chanyuan, et al. Design of high-precision driving power and temperature control circuit for semiconductor laser[J]. Laser Technology, 2017, 41 (02): 200-204.
罗亮,胡佳成,王婵媛等. 高精度半导体激光器驱动电源及温控电路设计 [J]. 激光技术, 2017, 41 (02): 200-204.
[12] Xin Wenhui, Fang Lin, Fan Jianxin, et al. Double Closed-Loop Temperature Control System for Semiconductor Laser[J]. Measurement&Control Technology, 2022, 41 (09): 31-36+49.
辛文辉,方林,樊建鑫等. 半导体激光器双闭环温度控制系统 [J]. 测控技术, 2022, 41 (09): 31-36+49.
[13] He Chungui , Zhang Yujun, Liu Guohua, et al. Design and experimental study on temperature control circuit of semiconductor laser[J]. Electronic Measurement Technology, 2017, 40(08): 27-31+41.
贺春贵, 张玉钧, 刘国华, et al. 半导体激光器温度控制电路设计及实验研究 [J]. 电子测量技术, 2017, 40(08): 27-31+41.
[14] Liu Zeli. High-precision DFB Laser Temperature Control System Used in Gas Detection Field[J]. Laser Journal, 2014, 35 (12): 82-84.
刘泽利. 用于气体检测的高精度DFB激光器温控系统 [J]. 激光杂志, 2014, 35 (12): 82-84.
[15] Jiang Jianguo, Zhao Yu, Liu Songbin. A laser drive current and temperature control system for TDLAS methane detection[J]. Journal of Chongqing University, 2018, 41 (02): 53-60.
姜建国,赵宇,刘松斌. 用于TDLAS甲烷检测的激光器电流驱动与温控系统 [J]. 重庆大学学报, 2018, 41 (02): 53-60.
[16] Jin Xiaoli, Su Jing, Jin Pixian, et al. Study on A High-Precision Digital Temperature-Control System for All-Solid-State Single-Frequency Green Laser [J]. Chinese Journal of Lasers, 2015, 42(09): 80-86.
靳晓丽, 苏静, 靳丕铦, 等. 全固态单频绿光激光器高精度数字温度控制系统的研究 [J]. 中国激光, 2015, 42 (09): 80-86.
[17] Li Hongyan, Liu Hanfei, Wang Weifeng, et al. Design and experiment of DFB gas laser driver circuit based on STM32[J]. Journal of Xi'an University of Science and Technology, 2021, 41(01): 152-9.
李红岩, 刘韩飞, 王伟峰, 等. 基于STM32的DFB气体激光器驱动电路设计与实验 [J]. 西安科技大学学报, 2021, 41(01): 152-9.
[18] Lineykin S, Ben-Yaakov S. Analysis of thermoelectric coolers by a spice-compatible equivalent-circuit model [J]. IEEE power electronics letters, 2005, 3(2): 63-6.
[19] Liu Ning, Chai Tianyou. An Optimal Tuning Method of PID Controller Parameters[J]. Acta Automatica Sinica, 2023, 49(11): 2272-85.
刘宁, 柴天佑. PID控制器参数的优化整定方法 [J]. 自动化学报, 2023, 49(11): 2272-85.

基于数字 PID 的 DFB 激光器温度控制系统

Temperature control system for DFB lasers based on digital PID

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	黄鹏翔, 廉吉庆, 祝诚勇, 李理敏, 潘多, 陈景标, . 基于离散正弦波调频的 CPT 原子钟微波调制方法[J]. 量子电子学报, 2025, 42(4): 574-583.
[2]	葛宏义, 贾志远, 蒋玉英, 张元, 吴旭阳, 季晓迪, 孙振雨, 崔光远, . 基于遗传算法的多频段太赫兹类电磁诱导透明超材料传感器的优化设计[J]. 量子电子学报, 2025, 42(3): 369-380.
[3]	徐华轩 #, 敖致远, #, 李林, 李梓, 何胜国, 童昕 . 基于电子管振荡电路的离子阱射频源性能研究(封面文章)[J]. 量子电子学报, 2025, 42(2): 229-237.
[4]	王锦荣 , 吴双娥 , 米成栋 , 朱梦琦 , 程子源 , 高旭珍 , 史旭蓉 , 杜胜利 . 高功率宽调谐声光调制器驱动源的研究[J]. 量子电子学报, 2025, 42(2): 238-245.
[5]	吴仍来 , 唐嘉尉 , 黄恺健 , 薛艺 , 李俏璇 . 双条金原子链体系等离激元的激发特性[J]. 量子电子学报, 2025, 42(1): 48-0.
[6]	施沈希, 王佐宏, 孙梦然, 郑改革, . 含石墨烯的多层核壳结构自发辐射性质研究[J]. 量子电子学报, 2024, 41(6): 970-980.
[7]	乔旭冕, 李新化, 谷毛毛, 龚书磊, 弓紫燕, 吴超可, 吴超, 赵雷鸣. 纤锌矿结构砷化镓纳米线中的深能级缺陷研究[J]. 量子电子学报, 2024, 41(4): 671-678.
[8]	江佩璘 , 张意 , 黄强 , 石浩天 , 黄楚坤 , 余林峰 , 孙军强 , 余长亮 . Ge/SiGe非对称耦合量子阱强度调制特性仿真[J]. 量子电子学报, 2024, 41(2): 388-396.
[9]	曾繁鹏 , 赖强, 赖聪. 忆阻Sprott-R混沌系统的复杂动态分析与电路实现[J]. 量子电子学报, 2024, 41(1): 170-183.
[10]	张兴娇 , 曾礼丽 , 文如泉 , 廖建波 , 李薪蔚 . 基于表面等离子激元的多通道滤波器设计[J]. 量子电子学报, 2023, 40(6): 983-991.
[11]	高彦伟, 张玉钧, 刘海秋, 马慧敏 . 半导体激光器驱动电路设计及实验研究[J]. 量子电子学报, 2023, 40(5): 684-693.
[12]	吕海燕 , 洪占勇 , 杜先常 , . 单光子探测器制冷系统研究[J]. 量子电子学报, 2023, 40(3): 400-406.
[13]	张若雅 , 朱巧芬 , 张岩 . 可调谐太赫兹超材料吸波器研究进展[J]. 量子电子学报, 2023, 40(3): 301-318.
[14]	徐建伟 , 欧阳收剑 , 段守鑫 , 邹林儿 , 邓晓华 , 沈云 , . 太赫兹平面环偶极子超材料传感器及地沟油检测[J]. 量子电子学报, 2023, 40(3): 333-339.
[15]	陈启明, 傅仁轩, 徐勇军, 刘益标, 周金运, 宋显文. 移动焦平面正反面曝光制备 SU-8 微结构及 PDMS 浓度梯度产生器[J]. 量子电子学报, 2023, 40(3): 415-422.