热电制冷器的EML激光器温度控制系统设计

　　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。

图3为设计的T