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）對溫度穩定性的要求很高，并朝著小型化和高密度化方向發展。EML激光器是第一種大量生產的銦鎵砷磷（InGaAsP）光電集成器件。目前寬帶城域網（BMAN）正成為信息化建設的熱點，DWDM（密集波分復用）的巨大帶寬和傳輸數據的透明性，無疑是當今光纖應用領域的首選技術。然而，MAN等具有傳輸距離短、拓撲靈活和接入類型多等特點，如照搬主要用于長途傳輸的DWDM,必然成本過高；同時早期DWDM對MAN等靈活多樣性也難以適應。面對這種低成本城域范圍的寬帶需求，CWDM（粗波分復用）技術應運而生，并很快成為一種實用性的設備。 對光通信來說，其技術基本成熟，而業務需求相對不足。以被譽為"寬帶接入最終目標"的FTTH為例，其實現技術EPON已經完全成熟，但由于普通用戶上網需要的帶寬不高，使FTTH的商用只限于一些試點地區。但是，在2006年，隨著IPTV等三重播放業務開展，運營商提供的帶寬已經不能滿足用戶對高清晰電視的要求，隨之FTTH的部署也提上了日程。無獨有偶，ASON對傳輸網絡控制靈活，可為企業客戶提供個性化服務，不少運營商為發展和維系企業客戶，不惜重金投資建設ASON.

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

半導體致冷器是利用半導體材料的珀爾帖效應制成的。所謂珀爾帖效應，是指當直流電流通過兩種半導體材料組成的電偶時，其一端吸熱，一端放熱的現象。重摻雜的N型和P型的碲化鉍主要用作TEC的半導體材料，碲化鉍元件采用電串聯，并且是并行發熱。TEC包括一些P型和N型對（組），它們通過電極連在一起，并且夾在兩個陶瓷電極之間；當有電流從TEC流過時，電流產生的熱量會從TEC的一側傳到另一側，在TEC上產生″熱″側和″冷″側，這就是TEC的加熱與致冷原理。 是致冷還是加熱，以及致冷、加熱的速率，由通過它的電流方向和大小來決定。一對電偶產生的熱電效應很小，故在實際中都將上百對熱電偶串聯在一起，所有的冷端集中在一邊，熱端集中在另一邊，這樣生產出用于實際的致冷器。如果在應用中需要的制冷或加熱量較大，可以使用多級半導體致冷器，對于常年運行的設備，增大致冷元件的對數，盡管增加了一些初成本，但可以獲得較高的制冷系數。

TEC的用途非常廣泛，最典型的應用是激光器的溫控和PCR的溫控。眾所周知，激光器對于溫度是非常敏感的，因此對TEC的要求非常高。有些甚至要求將TEC和激光器同時采用TO封裝，這就要求TEC的體積非常小。能滿足此要求的公司也不多，德國的Micropelt公司是一個代表。其采用最先進的薄膜技術，并使用MEMS（微電機系統）進行加工，從而得到體積非常小的TEC.

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并聯分別接PWMl和PWM2降壓變換器，PWMl和PWM2產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：

①EMI較大。控制電路中的兩個濾波電感會對周圍產生電磁干擾，且濾波電感的回路阻抗易發生突變而導致產生尖銳的脈沖。

②外圍電路器件數量龐大。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。

③TEC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。

④模式切換較復雜。控制電路在雙PWM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，采用數字式PID控制，具有溫控精度高、外圍電路簡單、執行部件的轉換效率高等優點。

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高達96%的效率。該芯片在降壓和升壓模式之間可自動轉換，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熱敏電阻實時監控溫度；

②TEC上電流方向實現制冷和加熱；

③PID控制準確、快速、穩定地控制TEC電流。

TEC控制系統是一個典型的閉環反饋控制系統，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。

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。

在這個可調節的電壓輸出系統中，要調節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，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。該算法原理簡單，只是將經典的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。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。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箱中進行，表1為其中波長和光發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，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，經過進一步優化設計還可以適用于大多數集成光通信系統。