【导读】本设计方案采用体积小且易于控制的热电制冷器作为制冷和加热器件，并采用高精度的负温度系数热敏电阻（NTC）作为温度传感器，以MCU为控制核心，对EML激光器进行精密温度控制。
引言
在光通信领域中，用于高速、长距离通信的电吸收调制激光器（Electlro-absorption Modulated Laser，EML）对温度稳定性的要求很高，并朝着小型化和高密度化方向发展。EML激光器是第一种大量生产的铟镓砷磷（InGaAsP）光电集成器件。它是在同一半导体芯片上集成激光器光源和电吸收外调制器，具有驱动电压低、功耗低、调制带宽高、体积小，结构紧凑等优点，比传统DFB激光器更适合于高速率、长距离的传输。
EML激光器的输出波长、电流阈值、最大输出功率和最小功率的波动都直接受工作温度的影响。同时，光源的啁啾声受限于光通道的最大允许色散，虽然光纤放大器可延长信号传输距离，但色散值随传输距离的线性累积与光纤放大器无关，因此只能对光源的啁啾提出很苛刻的要求。使用直接调制激光器远远满足不了系统对光源性能的要求，就目前技术而言，最简单的方法是使用带温度控制的电吸收激光源。
本设计方案采用体积小且易于控制的热电制冷器（ThermoElectric Cooler，TEC）作为制冷和加热器件，并采用高精度的负温度系数热敏电阻（NTC）作为温度传感器，以MCU为控制核心，对EML激光器进行精密温度控制。EML的内部结构框图如图1所示。虚线框内，上面的二极管负责监控激光器和控制开关，下面的二极管控制背光电流。
1 基于TPS63000的TEC控制电路设计
1．1 TEC的原理分析
TEC制冷器又称半导体制冷器。电荷载体在导体中运动形成电流，当直流通过两种不同的导体材料，接触端上将产生吸热或放热现象，称为帕尔贴效应。TEC热电制冷器正是利用了帕尔贴效应实现制冷或制热，具有无噪声、无磨损、无污染、制冷（热）速度快、可靠性高、体积小、控制调节方便等特点。
目前，大多数EML激光器内部都集成有TEC和热敏电阻，但其控制电路需采用专用芯片或自行设计，否则激光器不能正常工作。常用的TEC控制电路包括2个PWM降压变换器、4个开关（S1～S4）、2个二极管（D1和D2）、2个滤波电感（L1和L2）、2个电容（C1和C2）。TEC与电容C1并联分别接PWMl和PWM2降压变换器，PWMl和PWM2产生的输出直流电压为V1、V2。提供给TEC的电流ITBC=（V1-V2）／RTRC，RTEC为TEC两电极间的阻抗。这种控制电路典型应用于Maxim公司的MAX8521、MAXl968以及Linear公司的LTC1923芯片中，主要存在以下的缺点：
①EMI较大。控制电路中的两个滤波电感会对周围产生电磁干扰，且滤波电感的回路阻抗易发生突变而导致产生尖锐的脉冲。
②外围电路器件数量庞大。温度的反馈信号以及其参数设置均采用模拟电路，从而使应用的成本和复杂性增加，TEC工作参数的设置不灵活。
③TEC的温控精度不高。由于采用的是模拟的控制方式，外接误差积分的运算放大器以及数／模转换器的量化误差都在一定程度上限制了TEC的控制精度。
④模式切换较复杂。控制电路在双PWM降压变换器驱动模式下采取模拟的控制方式，没有运行模式选择功能。
1．2 硬件电路结构设计
本文设计了一种基于TPS63000的TEC控制电路，采用数字式PID控制，具有温控精度高、外围电路简单、执行部件的转换效率高等优点。
TI公司的TPS63000是一款升降压电源管理芯片，DC／DC转换器可在1．8～5．5 V的宽电压范围内实现高达96％的效率。该芯片在降压和升压模式之间可自动转换，同时支持电流流入模式。在降压模式下电压为3．3 V输出时，输出电流最大可达1200 mA；在升压模式下电压为3．3 V或5 V输出时，输出电流最大可达800 mA。
根据CyOptics公司的10 Gb／s Cooled EML的使用手册可知，激光器的可操作温度范围在-40～90℃，TEC热电制冷器的电流ITEC为-1．5～1．5 A，VTEC为-3．3～3．3 V，热敏电阻的电流ITHC不得超过100μA，中心波长的范围为1530～1565 nm，且温度每变化1℃波长偏移不得超过0．13 nm。
结合激光器的具体指标，要做到对TEC温度的精确控制，可分为以下3步：
①热敏电阻实时监控温度；
②TEC上电流方向实现制冷和加热；
③PID控制准确、快速、稳定地控制TEC电流。
TEC控制系统是一个典型的闭环反馈控制系统，其结构如图2所示。
EML内部集成的高灵敏度NTlC热敏电阻，温度特性波动小、对各种温度变化响应快，材料一般为薄膜铂电阻。电阻的阻值与温度的关系是非线性的，可用公式表示为：
R=RTO×EXP{B（1／T-1／TO）}
其中，T0为温度的初始值，B为热敏指数。
热敏电阻作为传感器探测激光器内部温度，并将温度转换为自身阻值的变化，然后由温度控制电路将电阻的变化转换为电压的变化，其转换精度决定了测温的精度。转换后电压值的大小决定TEC LOOP电路的电流的流向（流入还是流出），以此来实现TEC控制电路的制冷或制热。
在TPS6300X系列芯片中，为了更好地控制输出电压VOUT，通常用FB引脚电压值的变化来感知输出电压V（OUT值的变化，这就意味着FB引脚要和VOUT引脚直接相连。
可得出，VFB=K1·VOUT+K2·VDAC。其中，K1、K2为常量，VDAC为MCU的控制电压。通过对输出电压VOUT值的控制，当电流由ITEC（+）流向ITEC（-）时，激光器将制冷，反之制热。
在这个可调节的电压输出系统中，要调节VOUT值，还要用一个外部的分压电阻连接在FB、VOUT和GND之间。为了能正常地调节VOUT值，V-FB值最大不超过500 mA，IFB不超过0．01μA，RB的阻值小于500 kΩ。分压电阻RA阻值由VFB、YOUT和RB确定。
1．3 TEC LOOP控制算法
PID（Proportional Integral Derivative）控制是一种线性的调节，即比例、积分、微分控制。PID控制有模拟PID和数字PID控制两种，通常依据控制器输出与执行机构的对应关系，将基本数字PID算法分为位置式PID和增量式PID。本文中TEC LOOP控制采用了适合于温度控制的位置式PID控制算法。该算法原理简单，只是将经典的PID算法理论离散化，运用于计算机辅助测量，结构简单易于实现。图4是TEC LOOP的控制模型。
该控制模型的控制表达式为：
其中，Kp为比例调节系数，Ki为积分调节系数，Kd为微分调节系数，e（k）为每次采样值与目标值的差值，u（k）为每次计算后用于调整温度的DAC值。模型中的反馈部分是将24位DAC的采样值转换成温度，当前温度与目标温度的差值通过PID算法计算出当前需要调整的DAC值，从而来实现温度的精确控制。
2 实验结果及分析
基于以上设计的TEC控制电路，分别对4只EML激光器在-10℃、25℃、75℃三种温度下进行3．3（1±10％）V的一些性能指标测试，测试的激光器是在循环箱中进行，表1为其中波长和光发射功率的具体测量数据。
从表中可以看出，当TEC控制在42℃，4只EML激光器分别工作在-10℃、25℃、75℃时，中心波长的偏移均不超过0．2 nm，光功率的变化在±1 dB之内。根据CyOptics公司的lO Gb／s Cooled EML的使用手册可知，光功率、中心波长完全满足TDM（时分复用）的要求，波长的变化范围也可以满足WDM（波分复用）应用需求。
本文所设计的基于TPS63000的温度控制电路，已成功应用在CyOptics公司的EML激光器中。实际使用证明：该电路可以有效地对TEC的温度进行控制，能够使EML激光器长期、稳定地工作在设定温度下。此模块工作温度宽、集成度高、成本低，经过进一步优化设计还可以适用于大多数集成光通信系统。
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