一種高精度激光器溫控電路的設計

陳 威，楊 鑄*，張 為

（1.武漢郵電科學研究院，武漢430074；2.光聯通訊技術有限公司，武漢430074）

一種高精度激光器溫控電路的設計

陳 威1，楊 鑄1*，張 為2

（1.武漢郵電科學研究院，武漢430074；2.光聯通訊技術有限公司，武漢430074）

為了保持光收發模塊發射光波長的穩定，采用半導體熱電制冷器對模塊中激光器溫度進行控制的方法，設計了以熱電制冷器為核心的具有高采樣精度和快速響應速度的溫度控制電路，并進行了理論分析和實驗驗證，取得了使用本電路的樣品模塊在應用溫度范圍內的發射波長變化數據。結果表明，優化后的熱電制冷器溫控電路具有良好的性能，能夠快速準確地控制激光器溫度，將發射光波長的變化精確鎖定在20pm范圍之內。設計完全滿足實際應用要求。

光電子學；激光器溫度控制；采樣精度；控制算法；直流轉換器控制回路

引 言

隨著現代社會信息交互的日益加深和通信技術的快速發展，信息量呈現幾何級的高速增長，海量信息的傳播需要大容量高速率的傳輸系統來承載［1］。傳輸系統物理層的數據流量很大，一般使用激光作為信號載波通過光纖進行傳輸，發射光載波的是光收發模塊（以下簡稱光模塊），主要起光電轉換作用，內部配有半導體激光器。

為了進一步加大傳輸速率，在通信領域使用復用技術，波分復用（wavelength division multiplexing， WDM）實際上就是一種頻分復用技術［2］，它使不同波長的光在同一個信道內傳輸從而大大提高系統的承載能力。密集波分復用（dense wavelength division multiplexing，DWDM）是WDM的升級，它的頻率間隔更窄，能容納的通道數更多，信息的容量更大，對于C波段12.5GHz的頻率間隔，相鄰通道間光載波的中心波長相差僅約100pm［3］。由于半導體激光器的發光性能受溫度的影響很大，溫度變化帶來的波長漂移很可能導致通道間的干擾，造成通信失效，為此需在DWDM光模塊中設計一定的溫度控制電路。半導體熱電制冷器（thermoelectric cooler，TEC）由于體積小和性能穩定［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（可參考本文中第1.3節中說明）。一般的TEC設計使用微控制單元（micro control unit，MCU）直接采樣，存在精度低和參考電壓波動的缺陷，本文中的設計針對這兩點做了改進：將溫度采樣與監控分開，使用專門的高采樣位數芯片直接改善采樣精度，通過采樣參考電位跟蹤消除電壓波動的影響提升采樣準確度；TEC的響應部分由閉環控制中廣泛使用的比例-積分-微分［5］（proportion-integralderivative，PID）方法來實現。

1 相關原理和設計思路

1.1 溫度穩頻原理

由于相鄰通道間隔很小，DWDM光模塊必須使用波長線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）為例說明溫度變化和波長漂移的關系。DFB-LD的腔結構相當于法布里-珀羅（Fabry-Perot，F-P）腔和布喇格光柵的疊加［6］，如圖1所示。

圖1中中間區域是F-P有源區，注入合適的抽運電流I后，有源區自發輻射形成的光在諧振腔的選頻作用下會有若干頻率間隔相等的縱模發生諧振，諧振頻率應滿足［7］：

式中，L，n和λ分別表示F-P腔的腔長、折射率和諧振光的波長，q為正整數。這些波長的光通過布喇格光柵的反射再次進行選頻［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應輸出光波長。由（1）式和（2）式可知發射光波長受F-P腔長、有源區和光柵區折射率、光柵周期的影響，溫度的變化會改變材料粒子間隔從而改變腔長，同時也會改變粒子的狀態和分布從使折射率和光柵周期發生變化；反之，溫度的穩定能消除這些變化因素，保持波長的穩定。

1.2 TEC原理和應用結構

半導體TEC利用珀爾帖原理，即當電流跨過不同材料流動時在接觸面上發生吸熱或放熱的現象，如圖2所示。本設計中的TEC集成在光發射次模塊（transmitter optical subassembly，TOSA）中，圖3為TOSA內部TEC結構，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 設計思路

圖4是TEC控制回路的功能圖，分為采樣、監控、計算和控制4步，工作過程如下：首先對激光器當前溫度采樣，將采樣電壓與設置值比較并經放大器輸出差值信號，再由相關算法控制電路對差值進行運算（圖中未畫出），輸出控制信號（TEC controller）給補償網絡并驅動一個控制器控制TEC電流方向實現制熱或制冷，保證激光器工作在最佳溫度點。

1.4 控制參量的分析和確定

進行具體設計之前，需明確實際電路可控的波長漂移范圍，若應用要求規定波長漂移的上限為Δλ，所用激光器發射中心波長自身變化的范圍為Δλ1，則電路設計可控范圍為Δλ-Δλ1。DWDM光模塊說明書規定波長偏移最大值100pm，DFB激光器發射光中心波長變化范圍為0pm～60pm，則實際需要控制的波長范圍是100pm-60pm=40pm。

通常，光模塊中引起波長變化的因素有：激光器固有的波長漂移、熱敏電阻監控與激光器實際溫度的偏差、電路元件老化和隨溫度變化引起的偏差、由模/數轉換（analog-to-digital converter，ADC）bit偏差或參考電壓波動引起的采樣誤差等，即TEC的控制精度主要取決于器件選擇和電路設計。在受限于制作工藝及實際開發條件等因素所用器件選定的條件下，前3個因素難以改善，而采樣部分則可從硬件電路設計上著手優化。響應速度主要根據算法調節PID的相關系數來實現。

2 溫控電路分析和計算

整個溫控電路由內部集成TEC的電吸收調制TOSA［9］﹑溫度采樣電路ADC﹑MCU監控和直流轉換（DC converter）組成，如圖5所示，SCL和SDA分別為串行時鐘（serial clock，SCL）和串行數據（serial data，SDA）信號，TEC set由MCU輸出控制DC converter，TEC out由DC converter輸出控制TEC。

2.1 溫度采樣電路設計

常用MCU的ADC為12bit，采樣精度較低，且參考電壓由外部提供，存在波動風險，可能增大采樣誤差而降低控制精度。設計采用24bit高精度ADC，采樣電路示意圖如圖6所示。其中虛線圓部分在TOSA內部（見圖3），Rsample為采樣電阻，ADC內部參考電壓實時跟蹤外部Vref。

2.1.1 消除采樣參考電壓波動影響 圖6中熱敏電阻兩端壓差信號輸入ADC進行采樣，設采樣輸出的數值為VADCout，采樣最大值為N，可得采樣輸出和參考電壓之間的關系為：

一定溫度下，C為與兩個電阻有關的常數，Vref可略去，參考電壓波動不會影響ADC的采樣輸出VADCout，從而對下級電路的處理不產生影響。

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

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

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

TOSA說明書規定正常工作溫度范圍是38℃～48℃，取43℃計算，根據（4）式Rth≈4.75kΩ。溫度信息為電壓采樣，Rsample值應與Rth同級，具體可根據圖7依照以下原則取值：低溫時，VADCout=Vref；常溫時，VADCout=0.5Vref；高溫時，VADCout=0，聯合（3）式可選Rsample=10kΩ。

TEC穩定后，溫度變化較小，（4）式兩邊分別對Rth和T微分并整理得：

若Rsample=10kΩ不變，參考電壓Vref=3.3V不變，電路是線性的，根據（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電壓變化會引起2.411℃溫度變化，TOSA說明書規定0.1℃波長溫漂上限為13pm，則0.1V電壓變化最多引起波長變化313.4pm。ADC 1bit對應電壓變化為2-24Vref，可算出由bit偏差造成的發射光波長漂移不超過0.001pm，可忽略不計，若采用12bit ADC，1bit波長采樣偏差約為2.5pm，對于DWDM系統已經不能忽略了。

2.2 TEC控制電路設計

采用圖8所示TEC電流控制功能電路。參照圖3，根據TOSA TEC部分規格說明，當電流由TEC+流向TEC-時制冷，反之則加熱。TEC正負壓差范圍為1.5V，若VTECout為TEC-的輸入電壓，則需滿足-1.5V＜VTECout-VCC＜1.5V，得出1.8V＜VTECout＜4.8V。

DC converter輸出可調范圍為1.8V～5.5V，滿足TEC-電壓要求。TEC set為MCU控制輸出（見圖5），與TEC out一起通過一個由阻抗構成的三端網絡對直流轉換器進行反饋控制和補償，根據電路的疊加原理，設TEC set輸入電壓為VTECset，則存在線性關系：

式中，Vconst為固定值，A和B為由Z1，Z2和Z3決定的網絡系數，具體取值可根據輸入輸出要求由電路知識計算確定。本次設計經過計算分別取Z1= 500kΩ，Z2=50kΩ和Z3=220kΩ，再由三者連接關系確定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，溫度穩定時VTECout應在1.48V附近，TEC溫控過程可定性分析如下：（1）溫度低于理想值時，TEC set應控制在0.82V～1.48V之間，電流由TEC+到TEC-，開始階段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隨之調整增大輸出值，制熱變慢，最后趨于穩定；（2）溫度高于理想值時，TEC set輸入應控制在1.48V～2.13V之間，后面過程同（1）的分析；（3）溫度穩定時，TEC set輸入應該維持在1.48V附近。

3 PID控制

為了提高TEC響應的性能，需使用PID算法，控制回路如圖9所示，U（0）為目標值，U（t）為被控對象輸出，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，t為時間。設計中使用增量式PID，將算法相關代碼燒入MCU中，MCU將采樣電壓值轉化為溫度，與設置最佳點進行比較得到溫差ΔT，ΔT經過比例、微分和積分作用后輸出control信號控制相關器件。根據第1.3節中的說明，容易看出激光器最佳工作溫度點對應U（0），溫差ΔT對應上式e（t），激光器實際溫度對應U（t），關鍵在于Kp，Ki和Kd值的選取。PID存在如下控制規律：（1）比例即時響應系統偏差，Kp越大，響應速度越快，穩態誤差越小，但會降低系統的穩定性；（2）積分能消除穩態誤差，提高系統的控制精度，Ki越小響應時間越短，但會降低系統穩定性；（3）微分能及時地反映偏差量的變化趨勢和變化率，縮短調節時間，Kd太大容易造成系統不穩定。

3種調節方式應根據實際系統的特性靈活進行選擇和組合，由于整個TEC溫控電路部分的外圍器件僅使用了電阻，一般來說Kp和Ki的改變對TEC響應的影響比較明顯。本設計中調試時應遵循比例-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至控制量出現振蕩，然后減小Kp至振蕩消失，將此時Kp的60%～70%確定為Kp；（2）設定一個較大的積分時間常數Ki的初值，然后逐漸減小Ki，直至系統出現振蕩，然后加大Ki至振蕩消失，設定PID的Ki為當前值的150%～180%；（3）微分系數Kd對本設計影響較小，調節方法與（1）類似，可取無振蕩值時的30%；（4）根據實際情況對3個系數進行微調，優化響應曲線。

3個參量選擇的合適情況下TEC溫度控制僅有一上一下兩個微小起伏振蕩且在幾秒時間內達到穩定，如圖10所示。

4 實驗結果與分析

對采用本TEC溫控設計的191.6THz（對應波長1564.68nm）通道光模塊樣品在-40℃～85℃內分別取低溫-40℃（low temperature，LT）、常溫25℃（random temperature，RT）和高溫85℃（high temperature，HT）進行了測試驗證，如表1所示。

表1是光模塊樣品在TEC穩定后3個不同溫度狀態下20次波長測試的數據及最大值和最小值，由于通道標準波長為1564.68nm，根據第1.4節中的分析，波動范圍應控制在40pm內，容易得出波長上限為1564.70nm，波長下限為1564.66nm。從表1可以看出，樣品模塊在TEC穩定后常溫、低溫和高溫波長的變化范圍分別是1564.683nm～1564.685nm，1564.681nm～1564.683nm和1564.677nm～ 1564.679nm，全溫范圍內波長波動僅在1564.675nm～1564.685nm的10pm之間。后續又經過多次測試驗證，大量數據統計結果顯示，采用本設計的DWDM光模塊產品的發射光中心波長在-40℃～85℃溫度范圍內的漂移可控制在20pm以內，完全滿足控制目標要求。

5 結 論

在器件選型確定的情況下，通過對采樣電路的優化和控制算法的有效使用設計出的TEC電路能夠快速響應和補償溫度的變化，使激光器始終工作在最佳溫度點。電路整體設計結構簡單，樣品的大量實測結果表明，本方案TEC電路能夠將光模塊發射波長精確鎖定在應用要求范圍之內，充分證明了設計的可靠性、有效性和一定的實用價值。

［1］ YAO J，MAO X R.Modern communication network［M］.Beijing：Posts&Telecom Press，2010：14-16（in Chinese）.

［2］ FAN C X，CAO L N.The principles of communication［M］.6th ed.Beijing：National Defence Industry Press，2006：6-8（in Chinese）.

［3］ INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION UNION（ITU）.ITUT G.694.1，Spectral grids for WDM applications：DWDM frequency grid［S］.Geneva，Switzerland：Telecommunication Standardization Sector of ITU，2012.

［4］ TAYLOR R A，SOLBREKKEN G L.Comprehensive system-level optimization of thermoelectric devices for electronic cooling applications［J/OL］.（2008-03-03）［2013-10-08］.http：//ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp？arnumber=4358522.

［5］ KANG G H，CHEN D Q，ZHANG L.Fundamentals of electronic technology-analog part［M］.5th ed.Beijing：Higher Education Press，2006：41-42（in Chinese）.

［6］ LIU D M，SUN J Q，LU P，et al.Fiber optics［M］.2nd ed.Beijing：Science Press，2008：145-148（in Chinese）.

［7］ MA Y W，WANG J H，BAO C F，et al.Optoelectronics［M］.2nd ed.Hangzhou：Zhejiang University Press，2006：28-30（in Chinese）.

［8］ ZHU Z M.Physical optics［M］.Wuhan：Huazhong University of Science and Technology Press，2009：146-155（in Chinese）.

［9］ DING G Q，CHEN L Y，LIU R，et al.10Gb/s EML-TOSA and its application in the long-distance optical communication［J］.Optical Communication Technology，2012，36（2）：4-7（in Chinese）.

［10］ LI J S.NTC Thermistor and application analysis［J］.Journal of Jingmen Technical College，2007，22（6）：43-45（in Chinese）.

［11］ SHI S G，SHI X.The temperature control system based on digital PID and potentiometer［J］.Journal of Wuhan Polytechnic University，2005，3（1）：31-34（in Chinese）.

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，現主要從事光收發模塊的研究。

*通訊聯系人。E-mail：yangz@wri.com.cn

2013-10-08；

2014-01-20