一种用于控制光发射组件波长的方法及装置与流程

本发明涉及一种光通信器件，具体涉及一种光发射组件，尤其涉及一种用于控制光发射组件波长的方法及装置。

背景技术：

随着光纤网络的通信速率越来越高，对光电器件如激光器，光电二极管的带宽要求也越来越高，但由于在现有技术条件下单个光电器件的带宽不足以支持光纤网络通信速率的需求，因此出现了多种的复用技术，其中波分复用技术是一种比较经济，易于实现的技术方案。

通常，在光电收发模块或光电转发器模块中的光发射组件(TOSA)内部利用激光器产生光信号。随着传输速率的增加和模块尺寸越来越小，在单个TOSA器件内集成两个或更多的不同波长的激光器成为主流，这些不同波长的激光器通过光波分复用器后合成一束光束在光纤上进行传输。

其中，在上述激光器通常由发光二极管(LED)或分布式反馈(DFB)激光器组成，通常，温度的改变会影响LED或DFB激光器的输出中心波长，并且随着温度的升高，激光器的输出有效功率下降，所以单个激光器的波长调谐范围将受到限制。在多激光器组成的TOSA中，不同的激光器中心波长受温度影响存在差异，再加上波分复用器通带范围的差异，如何准确灵活控制激光器的输出波长使之匹配波分复用器成为一个问题。

通常，在TOSA器件内使用热电冷却器(TEC)控制LED或DFB激光器的温度。通过控制TEC的电流方向来实现对激光器的加热或冷却，从而实现恒温控制激光器的目的。在现有的TOSA温控系统中多采用开光电路控制，开关电路控制施加在TEC两端的电流，这种电路具有结构简单，易于操作的特点，但存在温度波动较大，不能稳定在设定值上的问题。这些问题将会造成激光器波长的变化，波长变化在多激光器加波分复用器的TOSA组件中会造成输出光功率的变化，如果波长变化较大甚至会导致某些波长无光输出，这将直接导致光传输系统误码率增加，直接影响光传输系统的性能。

因此，研究一种在光发射组件内部激光器使用的自动温度控制方法或装置从而灵活控制光发射组件波长，具有现实的应用意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于控制光发射组件波长的自动温度控制电路，在本发明中具体给出的自动温度控制电路实现方案，解决了光传输系统对光发射组件波长稳定，中心波长与光复用器的匹配的要求，同时采用微控制器可灵活控制TEC的温度范围以灵活适配TOSA器件对不同控制温度的要求。

为达到上述目的，本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：本发明提供了一种用于控制光发射组件波长的装置，包括：微控制器、光发射组件温度控制单元、模数转换器、数模转换器、存储单元；其中，

所述微控制器包括：与所述模数转换器相连的ADC输入接口、与所述数模转换器相连的DAC输出接口、对外通信接口、与所述存储单元相连的存储器接口；

所述光发射组件温度控制单元与设置在所述光发射组件内的热敏电阻和热电冷却器相连，所述光发射组件温度控制单元通过所述热敏电阻检测所述光发射组件的当前温度，以及检测所述热电冷却器的当前电压/电流，并将检测到的所述当前温度和所述当前电压/电流通过所述模数转换器输入到所述微控制器，通过所述数模转换器接收所述微控制器所设定的温度控制目标；

所述光发射组件温度控制单元根据所检测到的所述光发射组件的当前温度、所检测到的所述热电冷却器的当前电压/电流、以及所述微控制器所设定的温度控制目标，通过PID控制算法计算获得需要施加到所述热电冷却器上的电压/电流，来实现对所述光发射组件的温度控制。

在上述技术方案中，所述光发射组件温度控制单元包括：温度检测电路、误差放大比较补偿单元、TEC差分电压驱动器、TEC电压/电流检测电路、TEC电压/电流限值电路；

所述温度检测电路与设置在所述光发射组件内的热敏电阻相连，用于检测所述光发射组件的当前温度成线性关系的反馈电压VFB，并将其传送到所述模数转换器和所述误差放大比较补偿单元；

所述误差放大比较补偿单元从所述数模转换器接收所述微控制器设定的与温度控制目标成线性关系的设定电压VTEMPSET，根据所述反馈电压VFB和所述设定电压VTEMPSET产生与二者之差成线性关系的误差电压，并将所述误差电压输出给所述TEC差分电压驱动器；

所述TEC差分电压驱动器根据所述误差电压输出差分驱动电压，所述差分驱动电压驱动所述光发射组件的热电冷却器，从而对所述光发射组件进行加热或冷却；

所述TEC电压/电流检测电路与所述光发射组件的热电冷却器相连，检测所述热电冷却器的当前电压/电流，并将其通过所述模数转换器输入到所述微控制器，以及通过所述TEC电压/电流限值电路反馈给所述TEC差分电压驱动器以避免所述热电冷却器过载。

在上述技术方案中，所述误差放大比较补偿单元包括第一个运算放大器OP1和第二个运算放大器OP2；其中，

所述第一个运算放大器OP1接收所述反馈电压VFB，并将其转换或调节为线性电压VTEMPOUT后输出到所述第二个运算放大器OP2；

所述第二个运算放大器OP2与分离的电阻电容元件构建一个硬件PID补偿网络，并根据所述线性电压VTEMPOUT和所述设定电压VTEMPSET产生与二者之差成线性关系的误差电压。

在上述技术方案中，所述误差放大比较补偿单元通过软件进行PID运算控制来产生与所述反馈电压VFB和所述设定电压VTEMPSET两者之差成线性关系的误差电压。

在上述技术方案中，所述光发射组件温度控制单元进一步包括：关断使能控制电路；所述微控制器通过GPIO输出接口所述关断使能控制电路相连来控制所述TEC差分电压驱动器的工作状态。

在上述技术方案中，所述TEC差分电压驱动器工作于线性电源模式或开关模式或混合模式。

本发明提供的一种用于控制光发射组件波长的装置，通过控制光发射组件温度来控制所述光发射组件的温度，进而对所述光发射组件发出的光信号的中心波长进行控制。

本发明还提供一种用于控制光发射组件波长的方法，通过控制光发射组件温度来对所述光发射组件发出的光信号的中心波长进行PID反馈控制。

本发明还提供一种标定系统，包括：HOST主机、待标定单元、光纤、波长监控器；其中，所述待标定单元包括上述用于控制光发射组件波长的装置、光发射组件控制单元、光发射组件；

所述HOST主机与所述待标定单元和所述波长监控器相连，所述HOST主机对所述待标定单元中的微控制器发出标定指令，所述微控制器对所述光发射组件控制单元进行设置；所述光发射组件控制单元驱动所述光发射组件发出的光通过所述光纤进入所述波长监控器，所述波长监控器监控所述光发射组件发出光的中心波长。

在上述技术方案中，所述标定系统生成的标定数据表通过所述微控制器的对外通信接口写入到所述存储单元；所述微控制器根据所述标定数据表确定目标温度的相关参数；所述标定数据表包括模数转换器采样温度输入电压、光发射组件的温度、光发射组件的中心波长以及数模转换器输出电压之间的关系。

本发明取得了以下技术效果：

本发明所述的一种用于控制光发射组件波长的方法及装置提高了光发射组件内部温度的控制精度和准确度，实现了波长的精确控制，同时兼顾了波长的调节功能。此外本发明装置具有的最大TEC电压，电流限制功能可以有效的保护TEC组件的安全，避免TEC组件损坏。具有的TEC电压，电流检测功能可以有效的检测TEC的工作性能，关断使能控制功能可根据实际状态变化灵活关断开启TEC控制，因此本发明装置也具有很强的故障诊断，故障保护功能。

附图说明

图1为本发明中所述的控制光发射组件波长的方法及装置的原理框图；

图2为本发明所述的光发射组件基本功能框图；

图3为本发明所述的标定系统结构框图；

图4为本发明所述的温度检测电路原理框图；

图5为本发明所述的NTC热敏电阻阻值随温度变化的关系曲线；

图6为本发明图4中VFB反馈电压与温度变的关系；

图7为本发明所述的误差放大比较补偿单元第一种实现方式；

图8为本发明所述的误差放大比较补偿单元第二种实现方式。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

实施方式1：

本发明所提供的控制光发射组件波长的方法及装置的原理如图1所示，所述用于控制光发射组件波长的装置300，包括，微控制器301，光发射组件温度控制单元302，模数转换器(ADC)303，数模转换器(DAC)304，存储单元305，TOSA器件内部负温度系数(NTC)的热敏电阻103和TEC组件101组成。

其中，微控制器301还包括ADC输入接口311，DAC输出接口312，GPIO输出接口313，对外通信接口314，存储器接口315。

光发射组件温度控制单元302包括关断使能控制电路321，温度检测电路322，误差放大比较补偿单元323，TEC电压/电流限值电路324，TEC电压/电流检测电路325，TEC差分电压驱动器326。

微控制器301通过对外通信接口314收发来自外部主机的数据或指令，其中所述的对外通信接口314包括但不仅限于I2C，MDIO，UART。例如微控制器301接收到将光发射组件目标温度设定到50℃的指令，微控制器301将根据数模转换器304LSB输出电压与温度之间的对应表找出50℃对应的DAC LSB值，然后微控制器301将通过DAC输出接口312将此数值设置至DAC 304，同时微控制器301通过GPIO输出接口313控制关断使能控制电路321开启。关断使能控制电路321开启后光发射组件温度控制单元302将进入正常工作模式，此时连接NTC热敏电阻103的温度检测电路322将输出一个关于温度的反馈电压VFB，此反馈电压VFB进入误差放大比较补偿单元323，同时VFB接入至一路ADC采样通道。

误差放大比较补偿单元323有两种实现方式。

其中，第一种实现方式如图7所示由两个运算放大器构成，第一个运算放大器OP1接受该反馈电压VFB，将该输入转换或调节为线性电压输出，该电压代表对象温度，同时该电压馈入至第二个运算放大器OP2中，与DAC输出的温度设定电压VTEMPSET进行比较，产生一个与二者之差成比例的误差电压，第二个运算放大器OP2利用分离的电阻电容元件构建一个硬件PID补偿网络，该补偿网络可以快速的调节稳定控制设定温度；第二种实现方式通过图7中的ADC2采取当前温度，微控制器根据采样的当前温度与目标设定温度之间的差值，通过软件进行比例，积分，差分PID运算控制DAC的输出电压，软件通过周期性的采样计算实现温度的精确控制，实现原理如图8所示。

所述误差放大比较补偿单元第二种实现方式的具体步骤包括：

步骤401，开始；

步骤402，初始化PID参数；

步骤403，输入目标温度；

步骤404，采样温度传感器输出信号获得当前温度对应的电压值；

步骤405，根据采样电压通过查找表计算获得当前温度；

步骤406，根据当前温度及目标温度进行PID运算；

步骤407，根据PID运算结果控制DAC的输出电压

步骤408，等待时间周期T后进入步骤403。

误差放大比较补偿单元323输出的电压信号进入TEC差分电压驱动器326，TEC差分电压驱动器326根据此电压信号调节输出一个差分电压，使得通过TEC组件101的电流可以带走连接到TEC对象上的热量，或者平稳的变为相反极性以加热该对象。TEC差分电压驱动器326可以工作于线性电源模式、开关模式或混合模式。

同时光发射组件温度控制单元302包含的TEC电压/电流限值电路324位于所述TEC电压/电流检测电路325与TEC差分电压驱动器326之间，用于接受TEC电压/电流检测电路325的反馈信号，同时生成控制TEC差分电压驱动器326的最大输出电压和输出电流，以避免施加在TEC组件的电压或电流过大造成TEC组件101损坏。

所述的光发射组件温度控制单元302包含的TEC电压/电流检测电路325的输出信号分别接入模数转换器(ADC)303中的TEC电压检测ADC 303-1(图中未详细示出)和TEC电流检测ADC 303-2(图中未详细示出)，通过所述的TEC电压检测ADC 303-1和TEC电流检测ADC 303-2进行模数转换后接入微控制器，更进一步地微控制器根据采样数据计算出施加在TEC控制器上的控制电压和通过TEC的电流。

所述的存储单元305用于存储非易失性数据，可以采用单独的一颗或多颗带电可擦写可编程只读存储器(EEPROM)；或者采用单独的一颗或多颗非易失存储器FLASH；或者采用微控制器内部集成的非易失存储器FLASH。

进一步地所述的存储单元305储存的非易失性数据包括但不仅限于NTC热敏电阻阻值与温度之间对应表，模数转换器采样温度输入电压LSB与热敏电阻阻值之间的对应表，数模转换器LSB输出电压与温度之间的对应表。微控制器PID算法比例，积分，微分常数。

所述的数模转换器可以采用单独的一颗单通道或一颗多通道的DAC器件；或者采用微控制器内部集成的数模转换器。

进一步地，所述的数模转换器分辨率不低于8位。

所述的模数转换器可以采用单独的多颗单通道或一颗多通道的ADC器件；或者采用微控制器内部集成的模数转换器。

进一步地，所述的模数转换器分辨率不低于8位。

在图2中所示的本发明所述的光发射组件100基本功能框图，包括TEC组件101，温度控制对象半导体激光器102，NTC热敏电阻103。为更准确的反映温控对象实际温度，NTC热敏电阻位于温度控制对象半导体激光器102的20mm以内。

所述的负温度系数(NTC)热敏电阻103的阻值随光发射组件内部的温度的变化而改变，用于反馈光发射组件内部的温度，如图5所示。在图5热敏电阻阻值随温度变化的关系曲线中可以看出阻值与温度变化非线性关系，在本发明中为了将温度反馈信号VFB趋于线性化输出，设计了如图4所示的电路结构，通过加入电阻R₂与热敏电阻串联，可相对于VREF将温度电压传递函数线性化，如图6所示。具体可通过下述方法确定R₁，R₂的阻值。

定义R_LOW为T_LOW温度下热敏电阻的阻值，R_MID为T_MID温度下热敏电阻的阻值,R_HIGH为T_HIGH温度下热敏电阻的阻值。

T_MID＝(T_LOW+T_HIGH)/2

热敏电阻对应温度的阻值可根据相应的热敏电阻数据手册获得。

使用下述公式计算R₁,R₂的阻值：

R₂＝(R_LOWR_MID+R_MIDR_HIGH-2R_LOWR_HIGH)/(R_LOW+R_HIGH-2R_MID)

R₁＝R₂+R_MID

V_FB＝V_REF x(R₂+R_TH)/(R₁+R₂+R_TH)

通过加入电阻R₂与热敏电阻串联，V_FB输出电压可相对于V_REF将温度电压传递函数线性化，V_FB线性化输出电压通过第一个放大器输出V_TEMPOUT，通过V_TEMPSET设定温度电压值与V_TEMPOUT温度电压反馈值进行比较确定TEC的工作温度。

在图7中R_FB和V_TEMPOUT通过下述公式确定

R_FB＝R₁x(R₁+R_LOW-R_MID)/(R_LOW-R_MID)

V_TEMPOUT＝0.5x V_REF x R_FB x[1/R_FB–1/R₁+1/(R₂+R_TH)]

其中：R_TH为设定点温度范围内的热敏电阻值；V_REF为基准电压值，包括但不仅限于2.5V，3.3V。

进一步地为了确定存储单元储存的非易失性数据对应表的数据，可将本发明所述用于控制光发射组件波长的装置接入标定系统，如图3所示，所述的标定系统包括HOST主机200，待标定单元201，光纤205，波长监控器206。其中待标定单元201包括微控制器301，光发射组件温度控制系统302，光发射组件控制单元203，光发射组件100。其中HOST主机200与待标定单元201和波长监控器206相连。HOST主机200对待标定单元201中的微控制器301发出标定指令，微控制器301对发射组件控制单元203进行设置，设置完成后，在标定过程中设置信息将保持不变，发射组件控制单元203驱动光发射组件100发出的光通过光纤205进入波长监控器206，波长监控器206监控光发射组件100发出光的中心波长。同时微控制器301控制光发射组件温度控制系统302中的DAC LSB输出电压，同时微控制器301通过读取VFB温度反馈ADC采样通道的采样数据确定温度是否已稳定，并根据采样数据计算出温度值，温度稳定后HOST主机200分别读出波长监控器206监控的中心波长数据、微控制器301设置的DAC LSB输出电压数值以及根据采样数据计算出的温度值。HOST主机200通过连续设置和读取对应数据关系生成ADC采样温度输入电压LSB，温度、中心波长以及DAC LSB输出电压之间的关系表。NTC热敏电阻103的阻值与温度之间对应表根据所选热敏电阻的参数确定。标定系统生成的数据表通过对外通信接口314写入到存储单元305内。微控制器301读取此标定数据表确定目标温度的相关参数。

本发明的用于控制光发射组件波长的方法及装置提高了光发射组件内部温度的控制精度和准确度，实现了波长的精确控制，同时兼顾了波长的调节功能。此外本发明装置具有的最大TEC电压，电流限制功能可以有效的保护TEC组件的安全，避免TEC组件损坏。具有的TEC电压，电流检测功能可以有效的检测TEC的工作性能，关断使能控制功能可根据实际状态变化灵活关断开启TEC控制，因此本发明装置也具有很强的故障诊断，故障保护功能。

在本发明中实施方案中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上的单元集成在一个单元中。上述集成的单元即可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

最后所应说明的是，以上的具体实施方式仅用于说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照实施方案对本发明进行了详细说明，但对于本领域技术人员应对理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改或替换，可在形式上和细节上对本发明做出各种变化，其并未脱离本发明的技术与精神。