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光通信系统中大多数器件如TOF、阵列波导光栅（AWG）、掺铒光纤放大器（EDFA）、激光器对温度都是很敏感的。好的温度稳定性不仅能带来各器件光学参数的稳定输出，同时也会提高整个通信系统的性能和可靠性。温度的变化虽然给我们的设计来不利因素，但同时在设计过程中也可以利用器件的温度特性。因此温度控制是光系统设计时一项重要的任务。本文从温度稳定性和温度有效性方面介绍了ADN8831在TOF、TDC温度控制中的应用，结果表明其控制精度满足光器件设计过程中对温度控制的要求。
1 温度控制原理
1.1 热电制冷器
热电制冷器（Thermoelectric Cooler，TEC）利用的是固体的热电效应。相比其它的制冷技术TEC有如下优点：结构简单、体积小、启动快、控制灵活、操作具有可逆性等，因此TEC在光器件温度控制的系统设计中得到了充分的应用，特别是在器件工作温度范围比较宽的情况下它的优势更加明显。
热电制冷器是由一系列P型N型半导体构成的电偶对串联而成，由于帕尔帖效应，在电偶对形成的闭合回路中通以直流电流时，在其两端的节点处将分别产生吸热和放热现象。如图1所示，每个电偶的热效应是互相独立的，因此在热量的方向上它们是并行的，这样TEC的热转移效率得到了很大的提高。TEC有两个端面，当在TEC两端加电压的时候，电流就沿着某一方向流过TEC，此时TEC的一端（热端）被加热，另一端（冷端）被制冷，当电流反向时，TEC热量转移的方向将会发生变化，原来热端变成冷端，冷端变成热端。通常将需要控制温度的目标物体放置在TEC的冷端，散热片放置在TEC的热端，改变通过TEC的电流方向来加热或者制冷目标物体。通过TEC的电流越大，TEC两端的热量转移越多，当电流达到某一值时，冷端放出的热量等于热端吸收的热量，此时冷端的温度停止变化，目标物体的温度达到稳定。
图1 TEC结构图
1.2 温度控制原理
TEC控制器采用的是ADI公司的温度控制芯片ADN8831。TEC控制的整个流程，如图2所示。
图2 TEC控制的框图
第一部分是温度传感。它的作用是反馈目标物体的温度，为了提高温度的准确性和稳定性，热敏电阻应尽可能地靠近目标物体。本系统采用的是负温度系数的热敏电阻，阻值随着温度的升高而变小。温度—电压的转换电路，如图3所示，感应的目标温度与输出电压成正比关系。
（1）
定义温度下限Tlow时Vtempout=0V，中间值TMID时Vtempout=VREF/2，上限THIGH时Vtempout=VREF，这样就可以通过改变R1，R2，R3的值来设定温度控制的范围。
图3 温度电压转换电话和硬件PID控制电路
第二部分是差分放大。即将目标温度对应下的电压和设定温度点的电压进行比较之后比例放大。
第三部分是补偿网络。该补偿网络采用硬件PID（比例—积分—微分）控制，由运放、电阻、电容组成，它的优点是可靠性高。比例调节的作用是按比例反应系统的偏差，一旦系统有偏差，比例调节立即产生作用以减小系统偏差。比例作用大可加快系统调节，但过大的比例系数会到导致系统的不稳定。积分调节的作用是使系统消除稳态误差，提高系统的准确度，但同时也会导致系统的响应变慢。微分调节的作用是反应系统偏差信号的变化率，能预见偏差信号的变化趋势，因此能产生超前的控制作用，改变系统的动态性能。在实际调节过程中应注意折中超调和快速响应的问题，当超调较严重时，应适当减小比例系数、增加积分时间、减小微分时间，响应速度慢时，调节方法与上面相反。
ADN8831作为H桥的驱动器工作在线性、开关两种模式下，线性模式下效率虽然很低但减小了外围器件的体积，开关模式则恰好相反，因此这种设计达到互补的效果。
第五部分是由四个功率MOSFET组成的H桥驱动电路。H桥是分别由两个P型、N型功率MOSFET对和TEC组成的。四个MOSFET组成H的4条垂直腿，而TEC组成H的横杠，TEC相当于一个阻值很小的电阻，如图4所示。当ADN8831驱动Q1、Q3导通时，电流沿 的方向流过TEC，TEC的冷端变成热端放出热量对目标物体加热，Q2、Q4导通时，电流沿 的方向流过TEC，此时目标物体被制冷。切断任意对角线上的两个MOSFET的开关信号使电流沿单方向流过TEC，此时ADN8831可以控制除TEC外的加热源，如加热片、大功率电阻等。
图4 TEC控制的H桥结构
第六部分是LC滤波电路。为了提高TEC温度的稳定性，流过TEC的纹波电流应尽可能的小，在H桥之后必须加LC滤波电路滤除PWM的开关频率以达到稳定TEC电压的目的。高的开关频率虽然减小了电感、电容的体积，但同时也会带来EMI的影响，因此在系统设计时应综合考虑这些因素。
2 ADN8831的应用
基于MEMS（微机电系统）的F-P（法布里-珀罗）腔可调谐光滤波器（TOF），由于构成其腔长度的支撑材料具有一定的热膨胀系数，因此当环境温度变化时，腔长会随着温度的变化而发生变化，这样TOF的中心波长就会发生漂移，最终会影响信号波的锁定。另外，利用温度对中心波长的影响，可以通过控制TOF的工作温度使起始波长漂移到系统所要求的波长范围，这样通过温度控制克服了工艺过程中起始波长难以控制的问题。
基于G-T（Gires-Tournois）标准具的多波长可调谐色散补偿器（TDC），利用G-T标准具，使光信号中不同的光谱分量所传输的光程差不同，产生周期性的色散补偿效果。影响光程差的因素有标准具谐振腔的折射率、腔长、入射角，当改变G-T腔的温度时，折射率和腔长的变化会造成光程差的改变，使得色散曲线发生平移，从而实现色散的调节。此时利用材料的温度特性，只要温度控制精度高、响应时间快就可以设计出可动态补偿的TDC。
3 实验结果及分析
3.1 TOF的稳定性与波长控制实验
调节ADN8831的参数，设定可控制的温度范围，由公式（1）当设定温度控制在50℃-95℃时，计算R1，R2，R3的值。当温度稳定时，目标物体温度电压和设定温度电压是相等的，所以由公式（1）计算出各温度点对应的电压值，进而通过DAC设定TOF的工作温度。
由于TOF芯片的温度敏感性，当环境温度从-5℃变化到65℃时，中心波长随温度的变化如图5-a所示，在此过程中若没有温度控制中心波长将向长波漂移13nm。采用ADN8831控制TOF的温度在92℃，在同样环境温度变化情况下，中心波长仅漂移0.5nm，中心波长稳定性得到很大提高。温度对起始波长的控制如图5-b所示，常温下电压单独作用时，中心波长只能到达1557.94nm，这样就不能满足C波段的信号滤波，此时必须提高TOF的工作温度使中心波长向长波漂移。设定工作电压为65℃时中心波长漂移到1563.32nm。通过温度控制不仅提高了TOF的稳定性同时也提高了成品率。
波长（nm）
图5-a波长-温度变化 图5-b起始波长的温度控制
3.2 TDC色散补偿实验
ADN8831作为TEC控制器，也可以用来单向控制发热源。其方法就是去掉图4H桥任意对角线上的一对MOSFET，从而控制电流的单向性来加热目标物体。
减小可控的温度范围，可缩短温度的稳定时间。图6说明在不同温度点，色散曲线随温度的变化。当温度每升高0.058℃时，色散曲线整体向长波漂移，对于ITU-T特定波长1550.52，在80.314℃时色散值为正，这时可以降低工作温度使曲线向短波漂移，使得该波长点的色散值为负，进而实现动态的色散补偿。
波长（nm）
图6 不同温度点的色散曲线
结束语
为了提高系统的可靠性，稳定的温度控制始终是光器件设计工作必须解决的问题。ADN8831作为TEC控制器其宽的可控温度范围、高的控制精度大大提高了器件的可靠性。同时ADN8831控制电路如何小型化是今后有待研究的问题。
参考文献
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