光纖激光器中熱電冷卻器溫度控制器工作原理

對(duì)增加帶寬的持續(xù)需求導(dǎo)致部署基于光纖的網(wǎng)絡(luò)。由固態(tài)激光器驅(qū)動(dòng)的光纖線路具有非常高的信息密度。諸如DWDM（密集波分復(fù)用）??的高度打包的數(shù)據(jù)方案利用多個(gè)激光器驅(qū)動(dòng)光纖以獲得大的多通道數(shù)據(jù)流。窄通道間隔依賴于激光波長控制在0.1nm（納米）以內(nèi)。激光能夠做到這一點(diǎn)，但溫度變化會(huì)影響操作。圖1繪制了典型的激光波長與溫度的關(guān)系圖。 0.1nm /°C的斜率意味著雖然溫度有助于調(diào)整激光波長，但一旦激光達(dá)到峰值，它就不能改變。通常，需要0.1°C的溫度控制才能使激光器工作在0.1nm以內(nèi)。

溫度控制器要求

溫度控制器必須滿足一些不尋常的要求。 1 最值得注意的是，由于環(huán)境溫度變化和激光器操作的不確定性，控制器必須能夠提供或移除熱量以保持控制?；赑eltier的熱電冷卻器（TEC）允許這樣做，但控制器必須是真正的雙向。它的熱流控制在“熱到冷”過渡區(qū)域不得有死區(qū)或不良動(dòng)態(tài)。此外，溫度控制器必須是一個(gè)精密設(shè)備，能夠在0.1°C內(nèi)保持良好的控制時(shí)間和溫度變化。

基于激光的系統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)緊湊，需要小尺寸的解決方案，有效操作以避免過熱耗散。

最后，控制器必須使用單個(gè)低壓電源工作，并且其（可能是開關(guān)模式）操作不得使噪聲損壞電源。

溫度控制器詳細(xì)信息

圖2，熱電冷卻器（TEC）溫度控制器的示意圖，包括三個(gè)基本部分。 DAC和熱敏電阻形成一個(gè)橋，其輸出由A1放大。 LTC1923控制器是一個(gè)脈沖寬度調(diào)制器，可為功率輸出級(jí)提供適當(dāng)?shù)恼{(diào)制和相位驅(qū)動(dòng)。激光器是一種電氣微妙且非常昂貴的負(fù)載。因此，控制器提供各種監(jiān)控，限制和過載保護(hù)功能。這些包括軟啟動(dòng)和過流保護(hù)，TEC電壓和電流檢測以及“越界”溫度檢測。異常操作導(dǎo)致電路關(guān)閉，防止激光模塊損壞。另外兩個(gè)功能可提升系統(tǒng)級(jí)兼容性。基于鎖相環(huán)的振蕩器允許多激光器系統(tǒng)中多個(gè)LTC1923的可靠時(shí)鐘同步。最后，向TEC的開關(guān)模式功率輸送是有效的，但是需要特別考慮以確保不將開關(guān)相關(guān)噪聲引入（“反射”）到主機(jī)電源中。 LTC1923具有邊沿壓擺限制功能，可通過減慢功率級(jí)的轉(zhuǎn)換時(shí)間來最大限度地減少與開關(guān)相關(guān)的諧波。這大大降低了高頻諧波含量，防止過多的開關(guān)相關(guān)噪聲破壞電源或激光。 2 開關(guān)模式功率輸出級(jí)，一種“H橋”型，允許高效的雙向驅(qū)動(dòng)TEC，允許加熱或冷卻激光。熱敏電阻，TEC和激光器，在激光器模塊內(nèi)制造時(shí)封裝，緊密熱耦合。

DAC允許將溫度設(shè)定點(diǎn)調(diào)整到任何單個(gè)激光器的最佳工作點(diǎn)，通常為每個(gè)激光器指定?？刂破髟鲆婧蛶捳{(diào)整可優(yōu)化熱回路響應(yīng)，以獲得最佳溫度穩(wěn)定性。

熱回路考慮因素

高性能溫度控制的關(guān)鍵是將控制器的增益帶寬與熱反饋路徑相匹配。從理論上講，使用傳統(tǒng)的伺服反饋技術(shù)來做這件事很簡單。實(shí)際上，熱系統(tǒng)中固有的長時(shí)間常數(shù)和不確定的延遲是一個(gè)挑戰(zhàn)。伺服系統(tǒng)和振蕩器之間的不幸關(guān)系在熱控制系統(tǒng)中非常明顯。

熱控制回路可以非常簡單地建模為電阻器和電容器網(wǎng)絡(luò)。電阻器相當(dāng)于熱阻，電容器相當(dāng)于熱容量。在圖3中，TEC，TEC傳感器接口和傳感器都具有RC因子，這些因素導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)能力的集中延遲。為防止振蕩，必須限制增益帶寬以解決此延遲。由于高增益帶寬對(duì)于良好控制是理想的，因此應(yīng)該最小化延遲。這可能是激光模塊在制造時(shí)的供應(yīng)商所解決的。

該模型還包括受控環(huán)境與不受控制的環(huán)境之間的絕緣。絕緣的作用是保持損耗率，使溫度控制裝置能夠跟上損耗。對(duì)于任何給定的系統(tǒng)，TEC傳感器時(shí)間常數(shù)與絕緣時(shí)間常數(shù)之間的比率越高，控制回路的性能越好。 3

溫度控制回路優(yōu)化

溫度控制回路優(yōu)化始于激光模塊的熱特性。上一節(jié)強(qiáng)調(diào)了TEC傳感器與絕緣時(shí)間常數(shù)之比的重要性。確定該信息可以實(shí)現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)的控制器增益帶寬。圖4顯示了典型激光模塊在環(huán)境溫度下經(jīng)歷40°C階躍變化時(shí)的結(jié)果。激光模塊的內(nèi)部溫度由其熱敏電阻監(jiān)控，與TEC無動(dòng)力時(shí)間對(duì)時(shí)間作圖。以分鐘為單位測量的環(huán)境到傳感器滯后顯示了經(jīng)典的一階響應(yīng)。

TEC傳感器集總延遲的特點(diǎn)是操作圖2電路中的激光模塊，增益設(shè)置為最大值且未安裝補(bǔ)償電容。在LTC1923誤差放大器輸出端測量的圖5顯示了由于熱滯后主導(dǎo)環(huán)路引起的大信號(hào)振蕩。本演示文稿中包含大量有價(jià)值的信息。 4 主要由TEC傳感器滯后決定的頻率意味著可以實(shí)現(xiàn)環(huán)路帶寬的限制。該頻率與激光模塊的熱時(shí)間常數(shù)的高比率（圖5）意味著簡單的主導(dǎo)極環(huán)補(bǔ)償將是有效的。飽和限制波形表明過度增益正在推動(dòng)環(huán)路進(jìn)入完全冷卻和加熱狀態(tài)。最后，非對(duì)稱占空比反映了TEC在制冷和制熱模式下的不同熱效率。

控制器增益帶寬從圖5的極值產(chǎn)生圖6的顯示。波形是溫度設(shè)定點(diǎn)的一小步（≈0.1°C）變化的結(jié)果。增益帶寬仍然過高，在持續(xù)時(shí)間超過2分鐘時(shí)產(chǎn)生阻尼響鈴響應(yīng)。循環(huán)只是略微穩(wěn)定。圖7的測試條件相同，但增益帶寬已顯著降低。響應(yīng)仍然不是最佳的，但建立時(shí)間約為4.5秒，比前一種情況快約25倍。圖8的響應(yīng)是在進(jìn)一步降低的增益帶寬設(shè)置下進(jìn)行的，幾乎是臨界阻尼，并在大約2秒內(nèi)干凈地穩(wěn)定下來。以這種方式優(yōu)化的激光模塊可以輕松地將外部溫度變化衰減幾千倍而不會(huì)出現(xiàn)過沖或過度滯后。此外，雖然各種激光器模塊之間存在很大的熱差異，但有一些關(guān)于增益帶寬值的通用指南是可能的。 5 1000增益足以滿足所需的溫度控制，帶寬低于1Hz，提供足夠的環(huán)路穩(wěn)定性。圖2的建議增益和帶寬值反映了這些結(jié)論，但任何特定情況的穩(wěn)定性測試都是強(qiáng)制性的。

溫度穩(wěn)定性驗(yàn)證

一旦優(yōu)化了環(huán)路，就可以測量溫度穩(wěn)定性。通過使用穩(wěn)定的校準(zhǔn)差分放大器監(jiān)測熱敏電阻橋偏移來驗(yàn)證穩(wěn)定性。 6 圖9記錄了冷卻模式下50秒內(nèi)±1毫秒的基線穩(wěn)定性。更嚴(yán)格的測試測量長期穩(wěn)定性，環(huán)境溫度有顯著變化。圖10的條形圖記錄測量冷卻模式穩(wěn)定性，該環(huán)境在9小時(shí)內(nèi)每小時(shí)高于環(huán)境溫度20°C。 7 數(shù)據(jù)顯示0.008°C產(chǎn)生的變化，表明熱增益為2500。 8 在9小時(shí)的標(biāo)繪長度上0.0025°C的基線傾斜來自環(huán)境溫度的變化。圖11使用相同的測試條件，但控制器在加熱模式下運(yùn)行。 TEC的較高加熱模式效率可提供更高的熱增益，從而使穩(wěn)定性提高4倍，達(dá)到約0.002°C的變化?；€傾斜，只是可檢測到，與圖10相比顯示出類似的4倍改善。

這種性能水平確保了所需的穩(wěn)定激光特性。長期（年）溫度穩(wěn)定性主要由熱敏電阻老化特性決定。 9

反射噪聲性能

向TEC提供的開關(guān)模式功率提供了有效的操作，但引起了對(duì)通過電源注入主機(jī)系統(tǒng)的噪聲的擔(dān)憂。特別是，開關(guān)邊沿的高頻諧波含量會(huì)破壞電源，從而導(dǎo)致系統(tǒng)級(jí)問題。這種“反射”的噪音可能很難處理。 LTC1923通過控制其開關(guān)邊沿的轉(zhuǎn)換來避免這些問題，從而最大限度地降低了高頻諧波含量。 10 這種開關(guān)瞬變的減慢通常會(huì)使效率降低1％到2％，這對(duì)于大大提高了噪音性能。圖12顯示了使用時(shí)具有壓擺控制的適當(dāng)旁路5V電源的噪聲和紋波。頻率為1mV的低頻紋波通常不是問題，與高頻轉(zhuǎn)換相關(guān)分量相反，高頻轉(zhuǎn)換相關(guān)分量的幅度僅約為500μV。通過禁用它可以測量擺動(dòng)限制的有效性。這在圖13中完成，高頻內(nèi)容增加4.4倍至約2.2mV。

結(jié)論

LTC1923提供完整激光溫度控制器解決方案所需的性能和功能。 “熱冷”控制功能可確保所需的溫度穩(wěn)定性，保護(hù)和監(jiān)控功能可保護(hù)昂貴的激光器。