一種高精度激光器溫控電路的設(shè)計(jì)

陳 威，楊 鑄*，張 為

（1.武漢郵電科學(xué)研究院，武漢430074；2.光聯(lián)通訊技術(shù)有限公司，武漢430074）

一種高精度激光器溫控電路的設(shè)計(jì)

陳 威1，楊 鑄1*，張 為2

（1.武漢郵電科學(xué)研究院，武漢430074；2.光聯(lián)通訊技術(shù)有限公司，武漢430074）

為了保持光收發(fā)模塊發(fā)射光波長(zhǎng)的穩(wěn)定，采用半導(dǎo)體熱電制冷器對(duì)模塊中激光器溫度進(jìn)行控制的方法，設(shè)計(jì)了以熱電制冷器為核心的具有高采樣精度和快速響應(yīng)速度的溫度控制電路，并進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取得了使用本電路的樣品模塊在應(yīng)用溫度范圍內(nèi)的發(fā)射波長(zhǎng)變化數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，優(yōu)化后的熱電制冷器溫控電路具有良好的性能，能夠快速準(zhǔn)確地控制激光器溫度，將發(fā)射光波長(zhǎng)的變化精確鎖定在20pm范圍之內(nèi)。設(shè)計(jì)完全滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用要求。

光電子學(xué)；激光器溫度控制；采樣精度；控制算法；直流轉(zhuǎn)換器控制回路

引 言

隨著現(xiàn)代社會(huì)信息交互的日益加深和通信技術(shù)的快速發(fā)展，信息量呈現(xiàn)幾何級(jí)的高速增長(zhǎng)，海量信息的傳播需要大容量高速率的傳輸系統(tǒng)來(lái)承載［1］。傳輸系統(tǒng)物理層的數(shù)據(jù)流量很大，一般使用激光作為信號(hào)載波通過(guò)光纖進(jìn)行傳輸，發(fā)射光載波的是光收發(fā)模塊（以下簡(jiǎn)稱(chēng)光模塊），主要起光電轉(zhuǎn)換作用，內(nèi)部配有半導(dǎo)體激光器。

為了進(jìn)一步加大傳輸速率，在通信領(lǐng)域使用復(fù)用技術(shù)，波分復(fù)用（wavelength division multiplexing， WDM）實(shí)際上就是一種頻分復(fù)用技術(shù)［2］，它使不同波長(zhǎng)的光在同一個(gè)信道內(nèi)傳輸從而大大提高系統(tǒng)的承載能力。密集波分復(fù)用（dense wavelength division multiplexing，DWDM）是WDM的升級(jí)，它的頻率間隔更窄，能容納的通道數(shù)更多，信息的容量更大，對(duì)于C波段12.5GHz的頻率間隔，相鄰?fù)ǖ篱g光載波的中心波長(zhǎng)相差僅約100pm［3］。由于半導(dǎo)體激光器的發(fā)光性能受溫度的影響很大，溫度變化帶來(lái)的波長(zhǎng)漂移很可能導(dǎo)致通道間的干擾，造成通信失效，為此需在DWDM光模塊中設(shè)計(jì)一定的溫度控制電路。半導(dǎo)體熱電制冷器（thermoelectric cooler，TEC）由于體積小和性能穩(wěn)定［4］被廣泛用于DWDM光模塊的溫控電路中控制激光器溫度。

TEC溫控電路有效控制的條件是保證精確采樣和快速響應(yīng)（可參考本文中第1.3節(jié)中說(shuō)明）。一般的TEC設(shè)計(jì)使用微控制單元（micro control unit，MCU）直接采樣，存在精度低和參考電壓波動(dòng)的缺陷，本文中的設(shè)計(jì)針對(duì)這兩點(diǎn)做了改進(jìn)：將溫度采樣與監(jiān)控分開(kāi)，使用專(zhuān)門(mén)的高采樣位數(shù)芯片直接改善采樣精度，通過(guò)采樣參考電位跟蹤消除電壓波動(dòng)的影響提升采樣準(zhǔn)確度；TEC的響應(yīng)部分由閉環(huán)控制中廣泛使用的比例-積分-微分［5］（proportion-integralderivative，PID）方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1 相關(guān)原理和設(shè)計(jì)思路

1.1 溫度穩(wěn)頻原理

由于相鄰?fù)ǖ篱g隔很小，DWDM光模塊必須使用波長(zhǎng)線(xiàn)寬極窄的單模激光器，下面以目前常用的分布反饋式激光器（distributed feedback laser diode，DFB-LD）為例說(shuō)明溫度變化和波長(zhǎng)漂移的關(guān)系。DFB-LD的腔結(jié)構(gòu)相當(dāng)于法布里-珀羅（Fabry-Perot，F(xiàn)-P）腔和布喇格光柵的疊加［6］，如圖1所示。

圖1中中間區(qū)域是F-P有源區(qū)，注入合適的抽運(yùn)電流I后，有源區(qū)自發(fā)輻射形成的光在諧振腔的選頻作用下會(huì)有若干頻率間隔相等的縱模發(fā)生諧振，諧振頻率應(yīng)滿(mǎn)足［7］：

式中，L，n和λ分別表示F-P腔的腔長(zhǎng)、折射率和諧振光的波長(zhǎng)，q為正整數(shù)。這些波長(zhǎng)的光通過(guò)布喇格光柵的反射再次進(jìn)行選頻［8］：

式中，navg是光柵平均折射率，s是光柵周期，諧振腔頻率和光柵頻率的重疊部分對(duì)應(yīng)輸出光波長(zhǎng)。由（1）式和（2）式可知發(fā)射光波長(zhǎng)受F-P腔長(zhǎng)、有源區(qū)和光柵區(qū)折射率、光柵周期的影響，溫度的變化會(huì)改變材料粒子間隔從而改變腔長(zhǎng)，同時(shí)也會(huì)改變粒子的狀態(tài)和分布從使折射率和光柵周期發(fā)生變化；反之，溫度的穩(wěn)定能消除這些變化因素，保持波長(zhǎng)的穩(wěn)定。

1.2 TEC原理和應(yīng)用結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體TEC利用珀?duì)柼恚串?dāng)電流跨過(guò)不同材料流動(dòng)時(shí)在接觸面上發(fā)生吸熱或放熱的現(xiàn)象，如圖2所示。本設(shè)計(jì)中的TEC集成在光發(fā)射次模塊（transmitter optical subassembly，TOSA）中，圖3為T(mén)OSA內(nèi)部TEC結(jié)構(gòu)，其中Rth為熱敏電阻，Vref為采樣參考電壓，THERM out作為溫度指示信號(hào)輸出，TEC+和TEC-為控制TEC電流的兩極，使用單極控制，TEC+接固定電平VCC。

1.3 設(shè)計(jì)思路

圖4是TEC控制回路的功能圖，分為采樣、監(jiān)控、計(jì)算和控制4步，工作過(guò)程如下：首先對(duì)激光器當(dāng)前溫度采樣，將采樣電壓與設(shè)置值比較并經(jīng)放大器輸出差值信號(hào)，再由相關(guān)算法控制電路對(duì)差值進(jìn)行運(yùn)算（圖中未畫(huà)出），輸出控制信號(hào)（TEC controller）給補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)并驅(qū)動(dòng)一個(gè)控制器控制TEC電流方向?qū)崿F(xiàn)制熱或制冷，保證激光器工作在最佳溫度點(diǎn)。

1.4 控制參量的分析和確定

進(jìn)行具體設(shè)計(jì)之前，需明確實(shí)際電路可控的波長(zhǎng)漂移范圍，若應(yīng)用要求規(guī)定波長(zhǎng)漂移的上限為Δλ，所用激光器發(fā)射中心波長(zhǎng)自身變化的范圍為Δλ1，則電路設(shè)計(jì)可控范圍為Δλ-Δλ1。DWDM光模塊說(shuō)明書(shū)規(guī)定波長(zhǎng)偏移最大值100pm，DFB激光器發(fā)射光中心波長(zhǎng)變化范圍為0pm～60pm，則實(shí)際需要控制的波長(zhǎng)范圍是100pm-60pm=40pm。

通常，光模塊中引起波長(zhǎng)變化的因素有：激光器固有的波長(zhǎng)漂移、熱敏電阻監(jiān)控與激光器實(shí)際溫度的偏差、電路元件老化和隨溫度變化引起的偏差、由模/數(shù)轉(zhuǎn)換（analog-to-digital converter，ADC）bit偏差或參考電壓波動(dòng)引起的采樣誤差等，即TEC的控制精度主要取決于器件選擇和電路設(shè)計(jì)。在受限于制作工藝及實(shí)際開(kāi)發(fā)條件等因素所用器件選定的條件下，前3個(gè)因素難以改善，而采樣部分則可從硬件電路設(shè)計(jì)上著手優(yōu)化。響應(yīng)速度主要根據(jù)算法調(diào)節(jié)PID的相關(guān)系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 溫控電路分析和計(jì)算

整個(gè)溫控電路由內(nèi)部集成TEC的電吸收調(diào)制TOSA［9］﹑溫度采樣電路ADC﹑MCU監(jiān)控和直流轉(zhuǎn)換（DC converter）組成，如圖5所示，SCL和SDA分別為串行時(shí)鐘（serial clock，SCL）和串行數(shù)據(jù)（serial data，SDA）信號(hào)，TEC set由MCU輸出控制DC converter，TEC out由DC converter輸出控制TEC。

2.1 溫度采樣電路設(shè)計(jì)

常用MCU的ADC為12bit，采樣精度較低，且參考電壓由外部提供，存在波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，可能增大采樣誤差而降低控制精度。設(shè)計(jì)采用24bit高精度ADC，采樣電路示意圖如圖6所示。其中虛線(xiàn)圓部分在TOSA內(nèi)部（見(jiàn)圖3），Rsample為采樣電阻，ADC內(nèi)部參考電壓實(shí)時(shí)跟蹤外部Vref。

2.1.1 消除采樣參考電壓波動(dòng)影響 圖6中熱敏電阻兩端壓差信號(hào)輸入ADC進(jìn)行采樣，設(shè)采樣輸出的數(shù)值為VADCout，采樣最大值為N，可得采樣輸出和參考電壓之間的關(guān)系為：

一定溫度下，C為與兩個(gè)電阻有關(guān)的常數(shù)，Vref可略去，參考電壓波動(dòng)不會(huì)影響ADC的采樣輸出VADCout，從而對(duì)下級(jí)電路的處理不產(chǎn)生影響。

2.1.2 提高ADC采樣精度 根據(jù)負(fù)溫度系數(shù)（negative temperature coefficient，NTC）熱敏電阻溫度特性［10］，有：

式中，B與NTC材料相關(guān)，典型值為3900，R0為NTC常溫阻值，T為實(shí)際溫度，T0為常溫溫度。

根據(jù)（4）式取點(diǎn)描出NTC溫度特性曲線(xiàn)，如圖7所示。可見(jiàn)，NTC電阻在低溫時(shí)隨溫度變化很大，常溫和高溫變化緩慢，需根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中NTC阻值大小和變化范圍選擇合適的Rsample。

TOSA說(shuō)明書(shū)規(guī)定正常工作溫度范圍是38℃～48℃，取43℃計(jì)算，根據(jù)（4）式Rth≈4.75kΩ。溫度信息為電壓采樣，Rsample值應(yīng)與Rth同級(jí)，具體可根據(jù)圖7依照以下原則取值：低溫時(shí)，VADCout=Vref；常溫時(shí)，VADCout=0.5Vref；高溫時(shí)，VADCout=0，聯(lián)合（3）式可選Rsample=10kΩ。

TEC穩(wěn)定后，溫度變化較小，（4）式兩邊分別對(duì)Rth和T微分并整理得：

若Rsample=10kΩ不變，參考電壓Vref=3.3V不變，電路是線(xiàn)性的，根據(jù)（3）式和（5）式可算出由0.1℃引起的采樣電壓變化量為約為0.00415V，反推0.1V電壓變化會(huì)引起2.411℃溫度變化，TOSA說(shuō)明書(shū)規(guī)定0.1℃波長(zhǎng)溫漂上限為13pm，則0.1V電壓變化最多引起波長(zhǎng)變化313.4pm。ADC 1bit對(duì)應(yīng)電壓變化為2-24Vref，可算出由bit偏差造成的發(fā)射光波長(zhǎng)漂移不超過(guò)0.001pm，可忽略不計(jì)，若采用12bit ADC，1bit波長(zhǎng)采樣偏差約為2.5pm，對(duì)于DWDM系統(tǒng)已經(jīng)不能忽略了。

2.2 TEC控制電路設(shè)計(jì)

采用圖8所示TEC電流控制功能電路。參照?qǐng)D3，根據(jù)TOSA TEC部分規(guī)格說(shuō)明，當(dāng)電流由TEC+流向TEC-時(shí)制冷，反之則加熱。TEC正負(fù)壓差范圍為1.5V，若VTECout為T(mén)EC-的輸入電壓，則需滿(mǎn)足-1.5V＜VTECout-VCC＜1.5V，得出1.8V＜VTECout＜4.8V。

DC converter輸出可調(diào)范圍為1.8V～5.5V，滿(mǎn)足TEC-電壓要求。TEC set為MCU控制輸出（見(jiàn)圖5），與TEC out一起通過(guò)一個(gè)由阻抗構(gòu)成的三端網(wǎng)絡(luò)對(duì)直流轉(zhuǎn)換器進(jìn)行反饋控制和補(bǔ)償，根據(jù)電路的疊加原理，設(shè)TEC set輸入電壓為VTECset，則存在線(xiàn)性關(guān)系：

式中，Vconst為固定值，A和B為由Z1，Z2和Z3決定的網(wǎng)絡(luò)系數(shù)，具體取值可根據(jù)輸入輸出要求由電路知識(shí)計(jì)算確定。本次設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)計(jì)算分別取Z1= 500kΩ，Z2=50kΩ和Z3=220kΩ，再由三者連接關(guān)系確定A和B，得：

由于1.8V＜VTECout＜4.8V，可算出VTECset在0.82V～2.13V之間，滿(mǎn)足MCU輸出壓值范圍0V～2.5V，所選阻值符合要求。容易得出，溫度穩(wěn)定時(shí)VTECout應(yīng)在1.48V附近，TEC溫控過(guò)程可定性分析如下：（1）溫度低于理想值時(shí)，TEC set應(yīng)控制在0.82V～1.48V之間，電流由TEC+到TEC-，開(kāi)始階段TEC set輸出偏低，電流較大，加快制熱速度，隨著溫度的升高，TEC set隨之調(diào)整增大輸出值，制熱變慢，最后趨于穩(wěn)定；（2）溫度高于理想值時(shí)，TEC set輸入應(yīng)控制在1.48V～2.13V之間，后面過(guò)程同（1）的分析；（3）溫度穩(wěn)定時(shí)，TEC set輸入應(yīng)該維持在1.48V附近。

3 PID控制

為了提高TEC響應(yīng)的性能，需使用PID算法，控制回路如圖9所示，U（0）為目標(biāo)值，U（t）為被控對(duì)象輸出，control為輸出控制值。

式中，e（t）是U（0）和U（t）的差值，Kp，Ki和Kd分別為比例、積分和微分系數(shù)，t為時(shí)間。設(shè)計(jì)中使用增量式PID，將算法相關(guān)代碼燒入MCU中，MCU將采樣電壓值轉(zhuǎn)化為溫度，與設(shè)置最佳點(diǎn)進(jìn)行比較得到溫差ΔT，ΔT經(jīng)過(guò)比例、微分和積分作用后輸出control信號(hào)控制相關(guān)器件。根據(jù)第1.3節(jié)中的說(shuō)明，容易看出激光器最佳工作溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)U（0），溫差ΔT對(duì)應(yīng)上式e（t），激光器實(shí)際溫度對(duì)應(yīng)U（t），關(guān)鍵在于Kp，Ki和Kd值的選取。PID存在如下控制規(guī)律：（1）比例即時(shí)響應(yīng)系統(tǒng)偏差，Kp越大，響應(yīng)速度越快，穩(wěn)態(tài)誤差越小，但會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性；（2）積分能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度，Ki越小響應(yīng)時(shí)間越短，但會(huì)降低系統(tǒng)穩(wěn)定性；（3）微分能及時(shí)地反映偏差量的變化趨勢(shì)和變化率，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，Kd太大容易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。

3種調(diào)節(jié)方式應(yīng)根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的特性靈活進(jìn)行選擇和組合，由于整個(gè)TEC溫控電路部分的外圍器件僅使用了電阻，一般來(lái)說(shuō)Kp和Ki的改變對(duì)TEC響應(yīng)的影響比較明顯。本設(shè)計(jì)中調(diào)試時(shí)應(yīng)遵循比例-積分-微分的先后順序，具體步驟如下：（1）將Ki和Kd置0，逐漸增大Kp至控制量出現(xiàn)振蕩，然后減小Kp至振蕩消失，將此時(shí)Kp的60%～70%確定為Kp；（2）設(shè)定一個(gè)較大的積分時(shí)間常數(shù)Ki的初值，然后逐漸減小Ki，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，然后加大Ki至振蕩消失，設(shè)定PID的Ki為當(dāng)前值的150%～180%；（3）微分系數(shù)Kd對(duì)本設(shè)計(jì)影響較小，調(diào)節(jié)方法與（1）類(lèi)似，可取無(wú)振蕩值時(shí)的30%；（4）根據(jù)實(shí)際情況對(duì)3個(gè)系數(shù)進(jìn)行微調(diào)，優(yōu)化響應(yīng)曲線(xiàn)。

3個(gè)參量選擇的合適情況下TEC溫度控制僅有一上一下兩個(gè)微小起伏振蕩且在幾秒時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，如圖10所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)采用本TEC溫控設(shè)計(jì)的191.6THz（對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)1564.68nm）通道光模塊樣品在-40℃～85℃內(nèi)分別取低溫-40℃（low temperature，LT）、常溫25℃（random temperature，RT）和高溫85℃（high temperature，HT）進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，如表1所示。

表1是光模塊樣品在TEC穩(wěn)定后3個(gè)不同溫度狀態(tài)下20次波長(zhǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)及最大值和最小值，由于通道標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)為1564.68nm，根據(jù)第1.4節(jié)中的分析，波動(dòng)范圍應(yīng)控制在40pm內(nèi)，容易得出波長(zhǎng)上限為1564.70nm，波長(zhǎng)下限為1564.66nm。從表1可以看出，樣品模塊在TEC穩(wěn)定后常溫、低溫和高溫波長(zhǎng)的變化范圍分別是1564.683nm～1564.685nm，1564.681nm～1564.683nm和1564.677nm～ 1564.679nm，全溫范圍內(nèi)波長(zhǎng)波動(dòng)僅在1564.675nm～1564.685nm的10pm之間。后續(xù)又經(jīng)過(guò)多次測(cè)試驗(yàn)證，大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，采用本設(shè)計(jì)的DWDM光模塊產(chǎn)品的發(fā)射光中心波長(zhǎng)在-40℃～85℃溫度范圍內(nèi)的漂移可控制在20pm以?xún)?nèi)，完全滿(mǎn)足控制目標(biāo)要求。

5 結(jié) 論

在器件選型確定的情況下，通過(guò)對(duì)采樣電路的優(yōu)化和控制算法的有效使用設(shè)計(jì)出的TEC電路能夠快速響應(yīng)和補(bǔ)償溫度的變化，使激光器始終工作在最佳溫度點(diǎn)。電路整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，樣品的大量實(shí)測(cè)結(jié)果表明，本方案TEC電路能夠?qū)⒐饽K發(fā)射波長(zhǎng)精確鎖定在應(yīng)用要求范圍之內(nèi)，充分證明了設(shè)計(jì)的可靠性、有效性和一定的實(shí)用價(jià)值。

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Design of high precision laser temperature control circuit

CHEN Wei1，YANG Zhu1，ZHANG Wei2
（1.Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications，Wuhan 430074，China；2.Oplink Communications Inc.，Wuhan 430074，China）

In order to maintain the stability of the emission wavelength of an optical transceiver，a thermoelectric cooler was adopted to control the temperature in the transceiver.A temperature control circuit was designed with high sampling precision and fast response speed.Through theoretical analysis and experimental verification，the dependence of emission wavelength on the temperature was obtained in the application temperature range.The results show that the optimized temperature control circuit of thermoelectric cooler has good performance，which can control the temperature of the laser accurately and quickly and lock the emission wavelength within 20pm change range.The design meets the requirements of practical applications fully.

optoelectronics；laser temperature control；sampling accuracy；control algorithm；DC converter control loop

TP271

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2014.05.020

1001-3806（2014）05-0669-06

陳 威（1989-），男，碩士研究生，現(xiàn)主要從事光收發(fā)模塊的研究。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：yangz@wri.com.cn

2013-10-08；

2014-01-20