如何通过温度控制优化光模块

　　光网络是宽带互联网业务发展的关键。互连大型交换机的光纤每秒可以传输千兆位的数据，而光子控制的改进正在稳步提高峰值带宽。为了最大化光纤的可用带宽，制造商使用密集波分复用 （DWDM），其中多种颜色的光同时通过光纤传输。严格控制每个激光器发出的颜色至关重要，因为通过保持更小的容差值，可以将更多通道挤入给定长度的光纤中。由于挖沟和铺设电缆的成本通常会超过购买更多激光驱动器和放大器的成本，因此最大化光纤的吞吐量是关键。

　　

　　图 1：光模块的简化框图。

　　激光二极管的温度对于保持恒定波长至关重要，因此必须严格控制。这意味着将温度控制在 ±0.1°C 范围内，同时以尽可能多的电流驱动激光二极管，以提供足够高的输出功率，无需外部放大即可长距离传输数据。

　　然而，激光二极管本身的功率要求使其更难实现，因为所需的更高能量水平会导致散热，这将趋于加热激光二极管。反过来，这会将激光输出颜色推离其目标。

　　解决自热问题的一种方法是在激光二极管模块内安装一个热电冷却器 （TEC）。TEC 是一种使用 PelTIer 效应的设备。它通常包含两种材料，并在强制直流电流通过时将热量从设备的一侧传递到另一侧。散热的一侧变冷。相反，热量被移动到的一侧变得很热。当电流反转其方向时，先前较冷的一侧会升温，而先前较热的一侧开始冷却。TEC 的冷却效果由通过它的电流量控制。

　　TEC 没有运动部件或工作流体，因此非常可靠并且尺寸可以非常小。TEC 用于许多需要精确温度控制的应用，包括光学模块。必须精确监测和控制通过 TEC 的电流以及泵浦激光二极管电流。

　　闭环控制通常用于在确定激光输出颜色时达到必要的准确度。由于有两个因素在起作用，激光器的温度和维持模块温度一致所需的 TEC 电流，因此需要两个控制回路。这两个循环通常嵌套在负责控制激光温度的外部循环中。内环侧重于 TEC 电流。

　　图 2：使用嵌套控制循环进行 TEC 控制。

　　第一个要求是根据所需的输出颜色为激光模块设置目标温度。该系统可以包含一个校准输出值和温度表，以实现高度的可编程性。热敏电阻或类似的温度传感装置尽可能靠近激光二极管放置，并将传感的温度传递给外环控制器。目标温度与实际温度之差即为温度误差，用于驱动控制回路。

　　目标 TEC 电流是热回路控制器的输出。以与热回路类似的方式，电流感应组件读取 TEC 电流并将其提供给 TEC 电流控制算法，该算法对电流误差起作用。电流环控制器调节 TEC 驱动电路以保持实际 TEC 电流接近目标值。

　　可以使用模拟电路实现必要的环路控制器。温度变化往往很慢，使用模拟分立器件构建稳定的环路控制电路相对容易。然而，模拟实现可能需要大量组件，这将占用模块设计可能无法腾出的电路板空间。

　　由于重点是高密度硬件以最大限度地利用光纤，因此电路板空间现在非常宝贵。目标温度的设定是通过改变元件值来实现的，这降低了灵活性。模拟方法的另一个问题是，为了保持微调控制，对核心组件的严格公差要求往往会增加成本。

　　另一种方法是使用微控制器来捕获传感器读数并处理实现控制所需的计算。这减少了所需组件的数量，也使控制参数更加准确和可重复。此外，修改固件以适应新应用比修改分立元件更容易。基于处理器的系统的一个关键优势是它可以为管理系统提供额外的信息，这对于维持对大规模网络的控制很重要。

　　诸如光信噪比、激光温度和激光电流等参数可以反馈给系统自己的管理单元，并转发给中央系统以支持长期监控。例如，如果关键参数开始漂移，管理系统设置的警报可以组织预防性维护。

　　TEC 回路和热控制基于数字滤波算法。这两个回路根据它们各自的设定点和反馈信号定期更新。由于热循环是外循环，响应时间较长，因此更新周期较长。TEC电流环相对来说是内环，需要更短的更新周期。TEC 电流环路大约 1 ms 的周期和热环路大约 10 ms 的周期往往运行良好。保持更新周期一致很重要，这可以使用可编程定时器来实现，这是许多微控制器上的功能。定时器可以设置为每 1 毫秒触发一次，或者内部循环需要的任何时间。然后，一个简单的计数器可确保热循环每十次迭代 TEC 电流循环或以任何其他适当的比率更新一次。

　　适用于该应用的微控制器可作为通用部件或专门设计的产品提供。Texas Instruments MSP430 系列的成员，例如FR5738，可以为光学模块应用提供良好的支持。它包括 16 KB 的铁电存储器，用于低功耗代码和配置数据存储。MSP430FR5738 基于 16 位处理器内核，包括一个 14 通道、10 位 ADC，该 ADC 具有 PWM 输出定时器来驱动一个电源电路，该电源电路可以为 TEC 电路提供所需的电压。还包括一个比较器和参考电压发生器，可用于为分压器等电路提供偏置电压。

　　为了支持与系统管理处理器的通信，该部件包括两个串行端口，其中一个可配置为用作 I²C 或 SPI 通道；另一个可以用作 UART 或 SPI 端口。F57xx 系列中的其他器件提供了 ADC 配置和内存大小的各种组合。Maxim Integrated的DS4830就是

　　专门为光模块控制而设计的一个示例。 DS4830 是一款 16 位微控制器，具有实现细粒度 TEC 控制所需的资源。该微控制器包括一个带有 26 输入多路复用器的 13 位模数转换器 （ADC） 和一个可用于偏置电压的 8 通道 12 位数模转换器 （DAC）由模块的热敏电阻采用的分压器。为了在直接驱动 H 桥电源转换器电路时提供对电流电平的高分辨率数字控制，DS4830 采用了 10 个脉宽调制 （PWM） 通道，每个通道具有 12 位分辨率。对于代码和数据存储，该器件具有 32 Kword 的 Flash 存储器和 1 Kword 的 SRAM。为了支持闭环控制的算术需求，DS4830 的 16 位处理器内核包括一个带有 48 位累加器的单周期乘法累加单元 （MAC）。

　　DS4830 支持直接连接用作远程温度传感器的二极管连接晶体管，并使用片上主 I²C 接口扩展到几乎无限数量的外部数字温度传感器 IC。除了对片上闪存进行密码保护的系统内重新编程外，一个独立的从 I²C 接口还有助于与主机微处理器进行通信。ADUC7122

　　使用 32 位 ARM 7TDMI 内核提供高达 41 MIP 的性能Analog Devices 制造的通用微控制器具有在应用需要时控制多个光学模块所需的马力。ADUC7122 包括一个 1 Msample/s、12 位数据采集系统，在单个芯片上集成了多通道 ADC、12 个电压输出 DAC、闪存和电可擦除非易失性存储器。该 ADC 可处理多达 13 个输入，以单端或差分输入模式运行，以实现更高的精度。该器件具有自己的低漂移带隙基准、温度传感器和电源电压监视器。为了与主机处理器进行通信，该器件具有两个 I²C 通道，可以单独配置为主模式或从模式。还提供了支持主从模式的 SPI 接口。

　　硅实验室基于 8051 的低功耗微控制器，例如C8051F367，已用于许多光学模块。这些微控制器具有高达 100 MIPS 的处理器速度和高达 128 KB 的闪存 EEPROM 的存储容量，封装小至 2 x 2 mm。F367 和该系列的其他成员包括硬件 16-x 16 位 MAC，以协助满足闭环控制和数字滤波的算术要求。

　　为支持光学模块温度控制的需求，C8051 部件包括一个精密温度传感器以及具有差模输入和 10 位 DAC 的 10 位或 12 位 ADC，或者在 F411 和 F413 的情况下，一个 12 位 DAC，让设计人员可以选择 TEC 对热输出的控制程度。

　　由于其片上外围设备的范围，微控制器提供了一种灵活的方式来支持先进的 DWDM 光网络系统的要求，无论它们是通用部件还是专用部件。