引言
在光通信領域中，用于高速,、長距離通信的電吸收調制激光器" title="激光器">激光器（Electlro-absorption Modulated Laser,，EML）對溫度穩(wěn)定性的要求很高,，并朝著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,，具有驅動電壓低,、功耗低、調制帶寬高,、體積小,，結構緊湊等優(yōu)點，比傳統(tǒng)DFB激光器更適合于高速率,、長距離的傳輸,。
EML激光器的輸出波長、電流閾值,、最大輸出功率和最小功率的波動都直接受工作溫度的影響,。同時，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信號傳輸距離,，但色散值隨傳輸距離的線性累積與光纖放大器無關，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足不了系統(tǒng)對光源性能的要求,，就目前技術而言，最簡單的方法是使用帶溫度控制" title="溫度控制">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(shù)熱敏電阻（NTC）作為溫度傳感器,，以MCU" title="MCU">MCU為控制核心，對EML激光器進行精密溫度控制,。EML的內部結構框圖如圖1所示,。虛線框內，上面的二極管負責監(jiān)控激光器和控制開關,，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制冷器又稱半導體制冷器。電荷載體在導體中運動形成電流,，當直流通過兩種不同的導體材料,，接觸端上將產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)象，稱為帕爾貼效應,。TEC熱電制冷器正是利用了帕爾貼效應實現(xiàn)制冷或制熱,，具有無噪聲、無磨損、無污染,、制冷（熱）速度快,、可靠性高、體積小,、控制調節(jié)方便等特點,。
目前，大多數(shù)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PWM降壓變換器,、4個開關（S1～S4）,、2個二極管（D1和D2）、2個濾波電感（L1和L2）,、2個電容（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TEC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：
?、貳MI較大,。控制電路中的兩個濾波電感會對周圍產(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,。
②外圍電路器件數(shù)量龐大,。溫度的反饋信號以及其參數(shù)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(shù)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(shù)／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,。
④模式切換較復雜,?？刂齐娐吩陔pPWM降壓變換器驅動模式下采取模擬的控制方式,，沒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(shù)字式PID控制,，具有溫控精度高、外圍電路簡單,、執(zhí)行部件的轉換效率高等優(yōu)點,。
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的寬電壓范圍內實現(xiàn)高達96％的效率,。該芯片在降壓和升壓模式之間可自動轉換,，同時支持電流流入模式。在降壓模式下電壓為3．3 V輸出時,，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，輸出電流最大可達800 mA,。
根據(jù)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100μA，中心波長的范圍為1530～1565 nm,，且溫度每變化1℃波長偏移不得超過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：
?、贌崦綦娮鑼崟r監(jiān)控溫度；
?、赥EC上電流方向實現(xiàn)制冷和加熱,；
③PID控制準確,、快速,、穩(wěn)定地控制TEC電流。
TEC控制系統(tǒng)是一個典型的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng),，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系是非線性的,，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(shù),。
引言
在光通信領域中,，用于高速、長距離通信的電吸收調制激光器（Electlro-absorption Modulated Laser,，EML）對溫度穩(wěn)定性的要求很高,，并朝著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,，具有驅動電壓低、功耗低,、調制帶寬高,、體積小，結構緊湊等優(yōu)點,，比傳統(tǒng)DFB激光器更適合于高速率,、長距離的傳輸。
EML激光器的輸出波長,、電流閾值,、最大輸出功率和最小功率的波動都直接受工作溫度的影響。同時,，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信號傳輸距離，但色散值隨傳輸距離的線性累積與光纖放大器無關,，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足不了系統(tǒng)對光源性能的要求，就目前技術而言,，最簡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(shù)熱敏電阻（NTC）作為溫度傳感器,，以MCU為控制核心，對EML激光器進行精密溫度控制,。EML的內部結構框圖如圖1所示,。虛線框內，上面的二極管負責監(jiān)控激光器和控制開關,，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制冷器又稱半導體制冷器。電荷載體在導體中運動形成電流,，當直流通過兩種不同的導體材料,，接觸端上將產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)象,，稱為帕爾貼效應。TEC熱電制冷器正是利用了帕爾貼效應實現(xiàn)制冷或制熱,，具有無噪聲,、無磨損、無污染,、制冷（熱）速度快,、可靠性高、體積小,、控制調節(jié)方便等特點,。
目前，大多數(shù)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PWM降壓變換器,、4個開關（S1～S4）,、2個二極管（D1和D2）、2個濾波電感（L1和L2）,、2個電容（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TEC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：
?、貳MI較大,。控制電路中的兩個濾波電感會對周圍產(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,。
②外圍電路器件數(shù)量龐大,。溫度的反饋信號以及其參數(shù)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(shù)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(shù)／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,。
④模式切換較復雜,?？刂齐娐吩陔pPWM降壓變換器驅動模式下采取模擬的控制方式，沒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(shù)字式PID控制，具有溫控精度高,、外圍電路簡單,、執(zhí)行部件的轉換效率高等優(yōu)點。
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的寬電壓范圍內實現(xiàn)高達96％的效率,。該芯片在降壓和升壓模式之間可自動轉換，同時支持電流流入模式,。在降壓模式下電壓為3．3 V輸出時,，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,，輸出電流最大可達800 mA,。
根據(jù)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100μA,，中心波長的范圍為1530～1565 nm,，且溫度每變化1℃波長偏移不得超過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：
①熱敏電阻實時監(jiān)控溫度,；
?、赥EC上電流方向實現(xiàn)制冷和加熱；
?、跴ID控制準確,、快速、穩(wěn)定地控制TEC電流,。
TEC控制系統(tǒng)是一個典型的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng),，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系是非線性的,，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(shù),。
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），以此來實現(xiàn)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感知輸出電壓V（OUT值的變化,，這就意味著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。通過對輸出電壓VOUT值的控制,，當電流由ITEC（+）流向ITEC（-）時,，激光器將制冷，反之制熱,。
在這個可調節(jié)的電壓輸出系統(tǒng)中,，要調節(jié)VOUT值，還要用一個外部的分壓電阻連接在FB,、VOUT和GND之間,。為了能正常地調節(jié)VOUT值，V-FB值最大不超過500 mA,，IFB不超過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）控制是一種線性的調節(jié)，即比例、積分,、微分控制,。PID控制有模擬PID和數(shù)字PID控制兩種，通常依據(jù)控制器輸出與執(zhí)行機構的對應關系,，將基本數(shù)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,，結構簡單易于實現(xiàn),。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(jié)系數(shù),，Ki為積分調節(jié)系數(shù)，Kd為微分調節(jié)系數(shù),，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PID算法計算出當前需要調整的DAC值,，從而來實現(xiàn)溫度的精確控制。
2 實驗結果及分析
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)箱中進行,，表1為其中波長和光發(fā)射功率的具體測量數(shù)據(jù)。
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,，中心波長的偏移均不超過0．2 nm，光功率的變化在±1 dB之內,。根據(jù)CyOptics公司的lO Gb／s Cooled EML的使用手冊可知,，光功率、中心波長完全滿足TDM（時分復用）的要求,，波長的變化范圍也可以滿足WDM（波分復用）應用需求,。
結語
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,。實際使用證明：該電路可以有效地對TEC的溫度進行控制,，能夠使EML激光器長期,、穩(wěn)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)過進一步優(yōu)化設計還可以適用于大多數(shù)集成光通信系統(tǒng),。