熱電制冷器的EML激光器溫度控制系統設計

　　在光通信領(lǐng)域中，用于高速、長(cháng)距離通信的電吸收調制激光器(Electlro-absorption Modulated Laser，EML)對溫度穩定性的要求很高，并朝著(zhù)小型化和高密度化方向發(fā)展。EML激光器是第一種大量生產(chǎn)的銦鎵砷磷(InGaAsP)光電集成器件。它是在同一半導體芯片上集成激光器光源和電吸收外調制器，具有驅動(dòng)電壓低、功耗低、調制帶寬高、體積小，結構緊湊等優(yōu)點(diǎn)，比傳統DFB激光器更適合于高速率、長(cháng)距離的傳輸。

　　EML激光器的輸出波長(cháng)、電流閾值、最大輸出功率和最小功率的波動(dòng)都直接受工作溫度的影響。同時(shí)，光源的啁啾聲受限于光通道的最大允許色散，雖然光纖放大器可延長(cháng)信號傳輸距離，但色散值隨傳輸距離的線(xiàn)性累積與光纖放大器無(wú)關(guān)，因此只能對光源的啁啾提出很苛刻的要求。使用直接調制激光器遠遠滿(mǎn)足不了系統對光源性能的要求，就目前技術(shù)而言，最簡(jiǎn)單的方法是使用帶溫度控制的電吸收激光源。

　　本設計方案采用體積小且易于控制的熱電制冷器(ThermoElectric Cooler，TEC)作為制冷和加熱器件，并采用高精度的負溫度系數熱敏電阻(NTC)作為溫度傳感器，以MCU為控制核心，對EML激光器進(jìn)行精密溫度控制。EML的內部結構框圖如圖1所示。虛線(xiàn)框內，上面的二極管負責監控激光器和控制開(kāi)關(guān)，下面的二極管控制背光電流。

　　1 基于TPS63000的TEC控制電路設計

　　1.1 TEC的原理分析

　　TEC制冷器又稱(chēng)半導體制冷器。電荷載體在導體中運動(dòng)形成電流，當直流通過(guò)兩種不同的導體材料，接觸端上將產(chǎn)生吸熱或放熱現象，稱(chēng)為帕爾貼效應。TEC熱電制冷器正是利用了帕爾貼效應實(shí)現制冷或制熱，具有無(wú)噪聲、無(wú)磨損、無(wú)污染、制冷(熱)速度快、可靠性高、體積小、控制調節方便等特點(diǎn)。

　　目前，大多數EML激光器內部都集成有TEC和熱敏電阻，但其控制電路需采用專(zhuān)用芯片或自行設計，否則激光器不能正常工作。常用的TEC控制電路包括2個(gè)PWM降壓變換器、4個(gè)開(kāi)關(guān)(S1～S4)、2個(gè)二極管(D1和D2)、2個(gè)濾波電感(L1和L2)、2個(gè)電容(C1和C2)。TEC與電容C1并聯(lián)分別接PWMl和PWM2降壓變換器，PWMl和PWM2產(chǎn)生的輸出直流電壓為V1、V2。提供給TEC的電流ITBC=(V1-V2)/RTRC，RTEC為T(mén)EC兩電極間的阻抗。這種控制電路典型應用于Maxim公司的MAX8521、MAXl968以及Linear公司的LTC1923芯片中，主要存在以下的缺點(diǎn)：

　?、貳MI較大?？刂齐娐分械膬蓚€(gè)濾波電感會(huì )對周?chē)a(chǎn)生電磁干擾，且濾波電感的回路阻抗易發(fā)生突變而導致產(chǎn)生尖銳的脈沖。

　?、谕鈬娐菲骷盗魁嫶?。溫度的反饋信號以及其參數設置均采用模擬電路，從而使應用的成本和復雜性增加，TEC工作參數的設置不靈活。

　?、跿EC的溫控精度不高。由于采用的是模擬的控制方式，外接誤差積分的運算放大器以及數/模轉換器的量化誤差都在一定程度上限制了TEC的控制精度。

　?、苣Ｊ角袚Q較復雜?？刂齐娐吩陔pPWM降壓變換器驅動(dòng)模式下采取模擬的控制方式，沒(méi)有運行模式選擇功能。

　　1.2 硬件電路結構設計

　　本文設計了一種基于TPS63000的TEC控制電路，采用數字式PID控制，具有溫控精度高、外圍電路簡(jiǎn)單、執行部件的轉換效率高等優(yōu)點(diǎn)。

　　TI公司的TPS63000是一款升降壓電源管理芯片，DC/DC轉換器可在1.8～5.5 V的寬電壓范圍內實(shí)現高達96%的效率。該芯片在降壓和升壓模式之間可自動(dòng)轉換，同時(shí)支持電流流入模式。在降壓模式下電壓為3.3 V輸出時(shí)，輸出電流最大可達1200 mA;在升壓模式下電壓為3.3 V或5 V輸出時(shí)，輸出電流最大可達800 mA。

　　根據CyOptics公司的10 Gb/s Cooled EML的使用手冊可知，激光器的可操作溫度范圍在-40～90℃，TEC熱電制冷器的電流ITEC為-1.5～1.5 A，VTEC為-3.3～3.3 V，熱敏電阻的電流ITHC不得超過(guò)100μA，中心波長(cháng)的范圍為1530～1565 nm，且溫度每變化1℃波長(cháng)偏移不得

　　超過(guò)0.13 nm。

　　結合激光器的具體指標，要做到對TEC溫度的精確控制，可分為以下3步：

　?、贌崦綦娮鑼?shí)時(shí)監控溫度;

　?、赥EC上電流方向實(shí)現制冷和加熱;

　?、跴ID控制準確、快速、穩定地控制TEC電流。

　　TEC控制系統是一個(gè)典型的閉環(huán)反饋控制系統，其結構如圖2所示。

　　EML內部集成的高靈敏度NTlC熱敏電阻，溫度特性波動(dòng)小、對各種溫度變化響應快，材料一般為薄膜鉑電阻。電阻的阻值與溫度的關(guān)系是非線(xiàn)性的，可用公式表示為：

　　R=RTO×EXP{B(1/T-1/TO)}

　　其中，T0為溫度的初始值，B為熱敏指數。

　　熱敏電阻作為傳感器探測激光器內部溫度，并將溫度轉換為自身阻值的變化，然后由溫度控制電路將電阻的變化轉換為電壓的變化，其轉換精度決定了測溫的精度。轉換后電壓值的大小決定TEC LOOP電路的電流的流向(流入還是流出)，以此來(lái)實(shí)現TEC控制電路的制冷或制熱。

　　圖3為設計的TEC LOOP電路。

　　在TPS6300X系列芯片中，為了更好地控制輸出電壓VOUT，通常用FB引腳電壓值的變化來(lái)感知輸出電壓V(OUT值的變化，這就意味著(zhù)FB引腳要和VOUT引腳直接相連。

　　可得出，VFB=K1·VOUT+K2·VDAC。其中，K1、K2為常量，VDAC為MCU的控制電壓。通過(guò)對輸出電壓VOUT值的控制，當電流由ITEC(+)流向ITEC(-)時(shí)，激光器將制冷，反之制熱。

　　在這個(gè)可調節的電壓輸出系統中，要調節VOUT值，還要用一個(gè)外部的分壓電阻連接在FB、VOUT和GND之間。為了能正常地調節VOUT值，V-FB值最大不超過(guò)500 mA，IFB不超過(guò)0.01μA，RB的阻值小于500 kΩ。分壓電阻RA阻值由VFB、YOUT和RB確定。

　　1.3 TEC LOOP控制算法

　　PID(Proportional Integral Derivative)控制是一種線(xiàn)性的調節，即比例、積分、微分控制。PID控制有模擬PID和數字PID控制兩種，通常依據控制器輸出與執行機構的對應關(guān)系，將基本數字PID算法分為位置式PID和增量式PID。本文中TEC LOOP控制采用了適合于溫度控制的位置式PID控制算法。該算法原理簡(jiǎn)單，只是將經(jīng)典的PID算法理論離散化，運用于計算機輔助測量，結構簡(jiǎn)單易于實(shí)現。圖4是TEC LOOP的控制模型。

　　該控制模型的控制表達式為：

　　其中，Kp為比例調節系數，Ki為積分調節系數，Kd為微分調節系數，e(k)為每次采樣值與目標值的差值，u(k)為每次計算后用于調整溫度的DAC值。模型中的反饋部分是將24位DAC的采樣值轉換成溫度，當前溫度與目標溫度的差值通過(guò)PID算法計算出當前需要調整的DAC值，從而來(lái)實(shí)現溫度的精確控制。

　　2 實(shí)驗結果及分析

　　基于以上設計的TEC控制電路，分別對4只EML激光器在-10℃、25℃、75℃三種溫度下進(jìn)行3.3(1±10%)V的一些性能指標測試，測試的激光器是在循環(huán)箱中進(jìn)行，表1為其中波長(cháng)和光發(fā)射功率的具體測量數據。

　　從表中可以看出，當TEC控制在42℃，4只EML激光器分別工作在-10℃、25℃、75℃時(shí)，中心波長(cháng)的偏移均不超過(guò)0.2 nm，光功率的變化在±1 dB之內。根據CyOptics公司的lO Gb/s Cooled EML的使用手冊可知，光功率、中心波長(cháng)完全滿(mǎn)足TDM(時(shí)分復用)的要求，波長(cháng)的變化范圍也可以滿(mǎn)足WDM(波分復用)應用需求。

　　結語(yǔ)

　　本文所設計的基于TPS63000的溫度控制電路，已成功應用在CyOptics公司的EML激光器中。實(shí)際使用證明：該電路可以有效地對TEC的溫度進(jìn)行控制，能夠使EML激光器長(cháng)期、穩定地工作在設定溫度下。此模塊工作溫度寬、集成度高、成本低，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化設計還可以適用于大多數集成光通信系統。