论文总字数：23706字

摘 要

半导体激光器是一种温度敏感型器件，工作温度变化会导致半导体激光器输出功率和波长的漂移。因此，保证半导体激光器长期稳定工作的关键在于控制其工作温度。论文首先介绍半导体激光器基本工作原理与发展，讨论了温度对其正常工作的影响，对比了现阶段国内外半导体激光器温控技术与相关产品性能，介绍了半导体温控技术。其次，讨论了蝶形半导体激光器模块中电流源驱动、温度采集、热电制冷器基本原理，基于STM32芯片，设计了温度控制电路，讨论与确定了半导体激光器温度控制算法及其控温稳定性。最后，研制出包括电源控制、串口通信、温度控制模块在内的半导体激光器温度控制电路，完成了对半导体激光器在20℃～30℃范围内的精确控温。经过测试，控温误差不超过±0.02℃。

关键词：半导体激光器，温度控制，STM32，比例积分

Abstract

Semiconductor laser is a kind of temperature sensitive device, the change of operating temperature will lead to the change of output power and wavelength of semiconductor laser. Therefore, the key to ensure the long-term stable operation of semiconductor laser is to control its operating temperature. This paper first introduces the basic working principle and development of semiconductor laser, discusses the influence of temperature on its normal work,  compares the temperature control technology and the performance of relative semiconductor laser products at home and abroad, and introduces the semiconductor temperature control technology. Secondly, this paper discusses the basic principles of current source drive, temperature acquisition and thermoelectric refrigerator in butterfly semiconductor laser module. Based on STM32 chip, this paper designs the temperature control circuit, discusses and determines the temperature control algorithm and temperature control stability of semiconductor laser. Finally, this paper develops a semiconductor laser temperature control circuit including power supply control, serial port communication and temperature control module, and completes the precise temperature control of semiconductor laser in the range of 20 °C to 30 °C.  After testing, the temperature control error is not more than ±0.02℃.

Keywords: Semiconductor laser, STM32, temperature control, proportional integration

目 录

第一章 绪论 6

1.1研究背景和意义 6

1.2 国内外的研究进展 6

1.3主要研究内容 7

第二章 半导体激光器的简介 9

2.1基本结构与工作原理 9

2.2半导体激光器的特性 10

2.2.1功率特性 10

2.2.2 阈值特性 11

2.2.3 温度特性 11

2.3本章小结 13

第三章 驱动控制电路的设计 14

3.1 DFB蝶形半导体激光器 14

3.2 压控恒流电流源驱动电路 14

3.3 NTC热敏电阻 16

3.4 温度采集电路 16

3.4.1 电路原理 16

3.4.2 采集数据处理 18

3.5温度控制系统的实现 19

3.5.1 半导体热电制冷器（TEC）原理 19

3.5.2 半导体热电制冷器（TEC）驱动芯片 19

3.6其他模块电路 20

3.6.1电源模块 20

3.6.2串口通信模块 21

3.7本章小结 22

第四章 基于STM32的控制模块设计 23

4.1 STM32简介 23

4.2 PID算法研究 23

4.2.1 PID算法原理 23

4.2.2 PID算法的数字化 25

4.2.3 PID算法的参数调整 25

4.3程序设计 26

4.3.1 PID程序 26

4.3.2 DAC模块程序 27

4.3.3 主函数程序 28

4.4 整体电路实验结果与分析 30

4.5 本章小结 31

第五章 总结与展望 32

5.1工作总结 32

5.2 工作展望 32

致 谢 33

参考文献 34

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

半导体激光器在上个世纪60年代开始出现，在经过半个世纪的研究后，其在结构、转换效率和功率等方面的性能有了极大的提高。

20世纪60年代初，美国的Keyes和Quist^[1]等人发现，GaAs材料在某些条件下具有光辐射现象。与此同时，Bernard和Duraffourg明确提出了半导体受激发射光子的条件：导带与价带之间的费米能级差大于禁带宽度。在Keyes和Quist的启发下，美国的Hall等人于1962 年发明了第一台同质结GaAs半导体激光器^[2]，揭开了半导体激光器的发展序幕，半导体激光器进入了最开始阶段的研究：同质结构注入型半导体激光器。1968年，美国贝尔实验室的Penish等人发明了一种新的半导体激光器：AlGaAs/GaAs单异质结注入型激光器，这标志着半导体激光器的研究进入了新的阶段。与同质结型半导体激光器相比，单异质结型半导体激光器的阈值电流密度低了整整一个数量级，但主要缺点是它只能在室温下以脉冲模式运行。在苏联和美国的科学家不懈努力下，他们二者于1970年几乎同时地开发出了双异质结半导体激光器，这种类型的半导体激光器终于成功的实现了在室温下连续工作这个目标。到了20世纪80年代，随着超薄层材料生长工艺技术的不断进步，以及离子刻蚀在精细结构加工方面的应用，半导体激光器的性能不断提高，逐渐开始开始商用，在这过程中还为分布反馈（DFB）和垂直腔面发射（VCSEL）等新一代半导体激光器的诞生提供了条件^[3]。

初始阶段的半导体激光器对工作环境要求极高，只有在低温的条件下才能以脉冲模式发射激光。时至今日，半导体激光器早已经能在常温下正常工作了，并且有着65%以上的光电转化效率，使用寿命也大大的提高，阈值电流也向着亚毫安级别发展。在这过去的50多年里，半导体激光器的结构，性能不断改进优化，取得了令世人瞩目的成绩。

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