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(jī)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(jìn)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(shí)通過(guò)光纖傳輸。嚴(yán)格控制每個(gè)激光器發(fā)出的顏色至關(guān)重要，因?yàn)橥ㄟ^(guò)保持更小的容差值，可以將更多通道擠入給定長(zhǎng)度的光纖中。由于挖溝和鋪設(shè)電纜的成本通常會(huì)超過(guò)購(gòu)買更多激光驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)化框圖。

　　激光二極管的溫度對(duì)于保持恒定波長(zhǎng)至關(guān)重要，因此必須嚴(yán)格控制。這意味著將溫度控制在 ±0.1°C 范圍內(nèi)，同時(shí)以盡可能多的電流驅(qū)動(dòng)激光二極管，以提供足夠高的輸出功率，無(wú)需外部放大即可長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗璧母吣芰克綍?huì)導(dǎo)致散熱，這將趨于加熱激光二極管。反過(guò)來(lái)，這會(huì)將激光輸出顏色推離其目標(biāo)。

　　解決自熱問(wèn)題的一種方法是在激光二極管模塊內(nèi)安裝一個(gè)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(qiáng)制直流電流通過(guò)時(shí)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(dòng)到的一側(cè)變得很熱。當(dāng)電流反轉(zhuǎn)其方向時(shí)，先前較冷的一側(cè)會(huì)升溫，而先前較熱的一側(cè)開始冷卻。TEC 的冷卻效果由通過(guò)它的電流量控制。

　　TEC 沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件或工作流體，因此非常可靠并且尺寸可以非常小。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(cè)和控制通過(guò) 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(shí)達(dá)到必要的準(zhǔn)確度。由于有兩個(gè)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(gè)控制回路。這兩個(gè)循環(huán)通常嵌套在負(fù)責(zé)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(jìn)行 TEC 控制。

　　第一個(gè)要求是根據(jù)所需的輸出顏色為激光模塊設(shè)置目標(biāo)溫度。該系統(tǒng)可以包含一個(gè)校準(zhǔn)輸出值和溫度表，以實(shí)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(biāo)溫度與實(shí)際溫度之差即為溫度誤差，用于驅(qū)動(dòng)控制回路。

　　目標(biāo) 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(duì)電流誤差起作用。電流環(huán)控制器調(diào)節(jié) TEC 驅(qū)動(dòng)電路以保持實(shí)際 TEC 電流接近目標(biāo)值。

　　可以使用模擬電路實(shí)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(duì)容易。然而，模擬實(shí)現(xiàn)可能需要大量組件，這將占用模塊設(shè)計(jì)可能無(wú)法騰出的電路板空間。

　　由于重點(diǎn)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(biāo)溫度的設(shè)定是通過(guò)改變?cè)祦?lái)實(shí)現(xiàn)的，這降低了靈活性。模擬方法的另一個(gè)問(wèn)題是，為了保持微調(diào)控制，對(duì)核心組件的嚴(yán)格公差要求往往會(huì)增加成本。

　　另一種方法是使用微控制器來(lái)捕獲傳感器讀數(shù)并處理實(shí)現(xiàn)控制所需的計(jì)算。這減少了所需組件的數(shù)量，也使控制參數(shù)更加準(zhǔn)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(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是它可以為管理系統(tǒng)提供額外的信息，這對(duì)于維持對(duì)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(zhǎng)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(bào)可以組織預(yù)防性維護(hù)。

　　TEC 回路和熱控制基于數(shù)字濾波算法。這兩個(gè)回路根據(jù)它們各自的設(shè)定點(diǎn)和反饋信號(hào)定期更新。由于熱循環(huán)是外循環(huán)，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，因此更新周期較長(zhǎng)。TEC電流環(huán)相對(duì)來(lái)說(shuō)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(yùn)行良好。保持更新周期一致很重要，這可以使用可編程定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這是許多微控制器上的功能。定時(shí)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(shí)間。然后，一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)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(dāng)?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(jì)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(chǔ)器，用于低功耗代碼和配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。MSP430FR5738 基于 16 位處理器內(nèi)核，包括一個(gè) 14 通道、10 位 ADC，該 ADC 具有 PWM 輸出定時(shí)器來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)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(gè)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(gè)串行端口，其中一個(gè)可配置為用作 I2C 或 SPI 通道；另一個(gè)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(jì)的一個(gè)示例。 DS4830 是一款 16 位微控制器，具有實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度 TEC 控制所需的資源。該微控制器包括一個(gè)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(gè)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(dòng) H 橋電源轉(zhuǎn)換器電路時(shí)提供對(duì)電流電平的高分辨率數(shù)字控制，DS4830 采用了 10 個(gè)脈寬調(diào)制 （PWM） 通道，每個(gè)通道具有 12 位分辨率。對(duì)于代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，該器件具有 32 Kword 的 Flash 存儲(chǔ)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(gè)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(yuǎn)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(kuò)展到幾乎無(wú)限數(shù)量的外部數(shù)字溫度傳感器 IC。除了對(duì)片上閃存進(jìn)行密碼保護(hù)的系統(tǒng)內(nèi)重新編程外，一個(gè)獨(dú)立的從 I2C 接口還有助于與主機(jī)微處理器進(jìn)行通信。ADUC7122

　　使用 32 位 ARM 7TDMI 內(nèi)核提供高達(dá) 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(shí)控制多個(gè)光學(xué)模塊所需的馬力。ADUC7122 包括一個(gè) 1 Msample/s、12 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在單個(gè)芯片上集成了多通道 ADC、12 個(gè)電壓輸出 DAC、閃存和電可擦除非易失性存儲(chǔ)器。該 ADC 可處理多達(dá) 13 個(gè)輸入，以單端或差分輸入模式運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)更高的精度。該器件具有自己的低漂移帶隙基準(zhǔn)、溫度傳感器和電源電壓監(jiān)視器。為了與主機(jī)處理器進(jìn)行通信，該器件具有兩個(gè) I2C 通道，可以單獨(dú)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(shí)驗(yàn)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(dá) 100 MIPS 的處理器速度和高達(dá) 128 KB 的閃存 EEPROM 的存儲(chǔ)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(gè)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(gè) 12 位 DAC，讓設(shè)計(jì)人員可以選擇 TEC 對(duì)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(lái)支持先進(jìn)的 DWDM 光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的要求，無(wú)論它們是通用部件還是專用部件。