光網(wǎng)絡(luò)是寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展的關(guān)鍵?；ミB大型交換機的光纖每秒可以傳輸千兆位的數(shù)據(jù)，而光子控制的改進正在穩(wěn)步提高峰值帶寬。為了最大化光纖的可用帶寬，制造商使用密集波分復(fù)用 （DWDM），其中多種顏色的光同時通過光纖傳輸。嚴格控制每個激光器發(fā)出的顏色至關(guān)重要，因為通過保持更小的容差值，可以將更多通道擠入給定長度的光纖中。由于挖溝和鋪設(shè)電纜的成本通常會超過購買更多激光驅(qū)動器和放大器的成本，因此最大化光纖的吞吐量是關(guān)鍵。

　　圖 1：光模塊的簡化框圖。

　　激光二極管的溫度對于保持恒定波長至關(guān)重要，因此必須嚴格控制。這意味著將溫度控制在 ±0.1°C 范圍內(nèi)，同時以盡可能多的電流驅(qū)動激光二極管，以提供足夠高的輸出功率，無需外部放大即可長距離傳輸數(shù)據(jù)。

　　然而，激光二極管本身的功率要求使其更難實現(xiàn)，因為所需的更高能量水平會導(dǎo)致散熱，這將趨于加熱激光二極管。反過來，這會將激光輸出顏色推離其目標。

　　解決自熱問題的一種方法是在激光二極管模塊內(nèi)安裝一個熱電冷卻器 （TEC）。TEC 是一種使用 Peltier 效應(yīng)的設(shè)備。它通常包含兩種材料，并在強制直流電流通過時將熱量從設(shè)備的一側(cè)傳遞到另一側(cè)。散熱的一側(cè)變冷。相反，熱量被移動到的一側(cè)變得很熱。當電流反轉(zhuǎn)其方向時，先前較冷的一側(cè)會升溫，而先前較熱的一側(cè)開始冷卻。TEC 的冷卻效果由通過它的電流量控制。

　　TEC 沒有運動部件或工作流體，因此非?？煽坎⑶页叽缈梢苑浅Ｐ?。TEC 用于許多需要精確溫度控制的應(yīng)用，包括光學(xué)模塊。必須精確監(jiān)測和控制通過 TEC 的電流以及泵浦激光二極管電流。

　　閉環(huán)控制通常用于在確定激光輸出顏色時達到必要的準確度。由于有兩個因素在起作用，激光器的溫度和維持模塊溫度一致所需的 TEC 電流，因此需要兩個控制回路。這兩個循環(huán)通常嵌套在負責控制激光溫度的外部循環(huán)中。內(nèi)環(huán)側(cè)重于 TEC 電流。

　　圖 2：使用嵌套控制循環(huán)進行 TEC 控制。

　　第一個要求是根據(jù)所需的輸出顏色為激光模塊設(shè)置目標溫度。該系統(tǒng)可以包含一個校準輸出值和溫度表，以實現(xiàn)高度的可編程性。熱敏電阻或類似的溫度傳感裝置盡可能靠近激光二極管放置，并將傳感的溫度傳遞給外環(huán)控制器。目標溫度與實際溫度之差即為溫度誤差，用于驅(qū)動控制回路。

　　目標 TEC 電流是熱回路控制器的輸出。以與熱回路類似的方式，電流感應(yīng)組件讀取 TEC 電流并將其提供給 TEC 電流控制算法，該算法對電流誤差起作用。電流環(huán)控制器調(diào)節(jié) TEC 驅(qū)動電路以保持實際 TEC 電流接近目標值。

　　可以使用模擬電路實現(xiàn)必要的環(huán)路控制器。溫度變化往往很慢，使用模擬分立器件構(gòu)建穩(wěn)定的環(huán)路控制電路相對容易。然而，模擬實現(xiàn)可能需要大量組件，這將占用模塊設(shè)計可能無法騰出的電路板空間。

　　由于重點是高密度硬件以最大限度地利用光纖，因此電路板空間現(xiàn)在非常寶貴。目標溫度的設(shè)定是通過改變元件值來實現(xiàn)的，這降低了靈活性。模擬方法的另一個問題是，為了保持微調(diào)控制，對核心組件的嚴格公差要求往往會增加成本。

　　另一種方法是使用微控制器來捕獲傳感器讀數(shù)并處理實現(xiàn)控制所需的計算。這減少了所需組件的數(shù)量，也使控制參數(shù)更加準確和可重復(fù)。此外，修改固件以適應(yīng)新應(yīng)用比修改分立元件更容易?；?a target="_blank">處理器的系統(tǒng)的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是它可以為管理系統(tǒng)提供額外的信息，這對于維持對大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的控制很重要。

　　諸如光信噪比、激光溫度和激光電流等參數(shù)可以反饋給系統(tǒng)自己的管理單元，并轉(zhuǎn)發(fā)給中央系統(tǒng)以支持長期監(jiān)控。例如，如果關(guān)鍵參數(shù)開始漂移，管理系統(tǒng)設(shè)置的警報可以組織預(yù)防性維護。

　　TEC 回路和熱控制基于數(shù)字濾波算法。這兩個回路根據(jù)它們各自的設(shè)定點和反饋信號定期更新。由于熱循環(huán)是外循環(huán)，響應(yīng)時間較長，因此更新周期較長。TEC電流環(huán)相對來說是內(nèi)環(huán)，需要更短的更新周期。TEC 電流環(huán)路大約 1 ms 的周期和熱環(huán)路大約 10 ms 的周期往往運行良好。保持更新周期一致很重要，這可以使用可編程定時器來實現(xiàn)，這是許多微控制器上的功能。定時器可以設(shè)置為每 1 毫秒觸發(fā)一次，或者內(nèi)部循環(huán)需要的任何時間。然后，一個簡單的計數(shù)器可確保熱循環(huán)每十次迭代 TEC 電流循環(huán)或以任何其他適當?shù)谋嚷矢乱淮巍?/p>

　　適用于該應(yīng)用的微控制器可作為通用部件或?qū)ｉT設(shè)計的產(chǎn)品提供。Texas Instruments MSP430 系列的成員，例如FR5738，可以為光學(xué)模塊應(yīng)用提供良好的支持。它包括 16 KB 的鐵電存儲器，用于低功耗代碼和配置數(shù)據(jù)存儲。MSP430FR5738 基于 16 位處理器內(nèi)核，包括一個 14 通道、10 位 ADC，該 ADC 具有 PWM 輸出定時器來驅(qū)動一個電源電路，該電源電路可以為 TEC 電路提供所需的電壓。還包括一個比較器和參考電壓發(fā)生器，可用于為分壓器等電路提供偏置電壓。

　　為了支持與系統(tǒng)管理處理器的通信，該部件包括兩個串行端口，其中一個可配置為用作 I2C 或 SPI 通道；另一個可以用作 UART 或 SPI 端口。F57xx 系列中的其他器件提供了 ADC 配置和內(nèi)存大小的各種組合。Maxim Integrated的DS4830就是

　　專門為光模塊控制而設(shè)計的一個示例。 DS4830 是一款 16 位微控制器，具有實現(xiàn)細粒度 TEC 控制所需的資源。該微控制器包括一個帶有 26 輸入多路復(fù)用器的 13 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 和一個可用于偏置電壓的 8 通道 12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC）由模塊的熱敏電阻采用的分壓器。為了在直接驅(qū)動 H 橋電源轉(zhuǎn)換器電路時提供對電流電平的高分辨率數(shù)字控制，DS4830 采用了 10 個脈寬調(diào)制 （PWM） 通道，每個通道具有 12 位分辨率。對于代碼和數(shù)據(jù)存儲，該器件具有 32 Kword 的 Flash 存儲器和 1 Kword 的 SRAM。為了支持閉環(huán)控制的算術(shù)需求，DS4830 的 16 位處理器內(nèi)核包括一個帶有 48 位累加器的單周期乘法累加單元 （MAC）。

　　DS4830 支持直接連接用作遠程溫度傳感器的二極管連接晶體管，并使用片上主 I2C 接口擴展到幾乎無限數(shù)量的外部數(shù)字溫度傳感器 IC。除了對片上閃存進行密碼保護的系統(tǒng)內(nèi)重新編程外，一個獨立的從 I2C 接口還有助于與主機微處理器進行通信。ADUC7122

　　使用 32 位 ARM 7TDMI 內(nèi)核提供高達 41 MIP 的性能Analog Devices 制造的通用微控制器具有在應(yīng)用需要時控制多個光學(xué)模塊所需的馬力。ADUC7122 包括一個 1 Msample/s、12 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在單個芯片上集成了多通道 ADC、12 個電壓輸出 DAC、閃存和電可擦除非易失性存儲器。該 ADC 可處理多達 13 個輸入，以單端或差分輸入模式運行，以實現(xiàn)更高的精度。該器件具有自己的低漂移帶隙基準、溫度傳感器和電源電壓監(jiān)視器。為了與主機處理器進行通信，該器件具有兩個 I2C 通道，可以單獨配置為主模式或從模式。還提供了支持主從模式的 SPI 接口。

　　硅實驗室基于 8051 的低功耗微控制器，例如C8051F367，已用于許多光學(xué)模塊。這些微控制器具有高達 100 MIPS 的處理器速度和高達 128 KB 的閃存 EEPROM 的存儲容量，封裝小至 2 x 2 mm。F367 和該系列的其他成員包括硬件 16-x 16 位 MAC，以協(xié)助滿足閉環(huán)控制和數(shù)字濾波的算術(shù)要求。

　　為支持光學(xué)模塊溫度控制的需求，C8051 部件包括一個精密溫度傳感器以及具有差模輸入和 10 位 DAC 的 10 位或 12 位 ADC，或者在 F411 和 F413 的情況下，一個 12 位 DAC，讓設(shè)計人員可以選擇 TEC 對熱輸出的控制程度。

　　由于其片上外圍設(shè)備的范圍，微控制器提供了一種靈活的方式來支持先進的 DWDM 光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的要求，無論它們是通用部件還是專用部件。