引用本文:

刘晨,唐壹明,吴海勇,等. 基于滑模控制的半导体激光器温度控制系统[J]. 光通信技术,2025,49(4):14-18.

基于滑模控制的半导体激光器温度控制系统

刘 晨1,唐壹明1,吴海勇2,王如刚1,陈勐勐2,3*,徐 飞3

(1.盐城工学院 信息工程学院,江苏 盐城 224000;2.南京晓庄学院 电子工程学院,南京 211171; 3.南京大学 现代工程与应用科学学院,南京 210032)

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摘要:为了解决分布反馈(DFB)半导体激光器因温控电路不稳定而导致输出波长漂移的问题,设计了一种基于滑模控制的半导体激光器温度控制系统。该系统采用曲线拟合求出DFB半导体激光器内部热电冷却器的传递函数,并在Simulink中加入白噪声搭建温度仿真模型,比较比例-积分-微分(PID)控制、增量PID控制、滑模控制的可行性,最终在实验电路中对比不同算法下温度控制的波形。实验结果表明:通过优化设计滑模控制系统,能有效提高激光器系统的响应速度和稳态精度,经过长时间测试,连续120 min内的温度误差小于等于0.16%。

关键词:分布反馈半导体激光器;热电冷却器;滑模控制;温度控制系统

中图分类号:TN929.1;O436 文献标志码:文章编号:1002-5561(2025)04-0014-05

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2025.04.003

  1. 研究背景与意义

    • 背景:随着现代通信技术的快速发展,分布反馈(DFB)半导体激光器在光通信、光纤传感等领域得到广泛应用。然而,激光器的中心波长对温度变化极为敏感,微小的温度波动即可导致波长显著偏移,影响工作稳定性。

    • 意义:高精度的温度控制技术成为保障激光器性能的关键。

  2. 现有技术局限性

    • 传统PID控制:响应速度慢、调节精度不足且易出现超调。

    • 模糊PID控制:设计复杂且实时性较差。

    • 位置PID控制:存在灵敏度低和积分饱和问题。

    • 增量PID控制:难以消除静态误差且实现复杂度较高。

  3. 滑模控制技术引入

    • 优势:滑模控制理论因其响应速度快、鲁棒性强等优势,在控制领域受到广泛关注。

    • 应用:本文提出一种基于滑模控制的半导体激光器温度控制系统,旨在解决激光器温控系统难以维持长期稳定的问题。

  4. 系统设计与建模

    • 系统组成:主要包括微控制器单元(MCU)、DFB激光器、模/数转换器(ADC)温度采样模块、DRV592驱动芯片和显示器。

    • 数学模型:基于实验方法建立DFB激光器的温控数学模型,明确表征系统特性及其输入、输出关系。

    • 传递函数:通过曲线拟合求出DFB半导体激光器内部热电冷却器的传递函数。

  5. 仿真与实验研究

    • 仿真模型:在Matlab/Simulink中搭建半导体激光器温控系统仿真模型,并引入噪声模拟环境电磁干扰。

    • 对比分析:比较传统PID控制、增量PID控制和滑模控制的可行性,通过仿真和实验验证滑模控制的优越性。

    • 实验结果:滑模控制实现了0.16%的温度稳定性,显著优于PID控制的1.6%和增量PID控制的1.1984%

  6. 输出光谱测试

    • 测试方法:使用光谱仪对半导体激光器的输出波长稳定性进行测试。

    • 测试结果:基于滑模控制理论设计的激光器输出波形具有更高的稳定性和更窄的线宽,优于参考波形。

  7. 结论与展望

    • 结论:滑模控制系统对于优化DFB激光器的性能具有重要意义,并为其在高精度应用领域中的使用奠定了坚实的基础。

    • 展望:未来工作可进一步优化滑模控制算法,提高系统的适应性和鲁棒性,以满足更复杂的应用场景需求。

本文通过一系列仿真与实验研究,验证了滑模控制在半导体激光器温度调控中的优越性能,为高精度温度控制提供了新的解决方案。