光網絡是寬帶互聯網業務發展的關鍵。互連大型交換機的光纖每秒可以傳輸千兆位的數據，而光子控制的改進正在穩步提高峰值帶寬。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出的顏色至關重要，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。由于挖溝和鋪設電纜的成本通常會超過購買更多激光驅動器和放大器的成本，因此最大化光纖的吞吐量是關鍵。

　　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，同時以盡可能多的電流驅動激光二極管，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據。

　　然而，激光二極管本身的功率要求使其更難實現，因為所需的更高能量水平會導致散熱，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安裝一個熱電冷卻器 （TEC）。TEC 是一種使用 Peltier 效應的設備。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備的一側傳遞到另一側。散熱的一側變冷。相反，熱量被移動到的一側變得很熱。當電流反轉其方向時，先前較冷的一側會升溫，而先前較熱的一側開始冷卻。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用，包括光學模塊。必須精確監測和控制通過 TEC 的電流以及泵浦激光二極管電流。

　　閉環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。這兩個循環通常嵌套在負責控制激光溫度的外部循環中。內環側重于 TEC 電流。

　　圖 2：使用嵌套控制循環進行 TEC 控制。

　　第一個要求是根據所需的輸出顏色為激光模塊設置目標溫度。該系統可以包含一個校準輸出值和溫度表，以實現高度的可編程性。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控制器。目標溫度與實際溫度之差即為溫度誤差，用于驅動控制回路。

　　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。電流環控制器調節 TEC 驅動電路以保持實際 TEC 電流接近目標值。

　　可以使用模擬電路實現必要的環路控制器。溫度變化往往很慢，使用模擬分立器件構建穩定的環路控制電路相對容易。然而，模擬實現可能需要大量組件，這將占用模塊設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，因此電路板空間現在非常寶貴。目標溫度的設定是通過改變元件值來實現的，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并處理實現控制所需的計算。這減少了所需組件的數量，也使控制參數更加準確和可重復。此外，修改固件以適應新應用比修改分立元件更容易。基于處理器的系統的一個關鍵優勢是它可以為管理系統提供額外的信息，這對于維持對大規模網絡的控制很重要。

　　諸如光信噪比、激光溫度和激光電流等參數可以反饋給系統自己的管理單元，并轉發給中央系統以支持長期監控。例如，如果關鍵參數開始漂移，管理系統設置的警報可以組織預防性維護。

　　TEC 回路和熱控制基于數字濾波算法。這兩個回路根據它們各自的設定點和反饋信號定期更新。由于熱循環是外循環，響應時間較長，因此更新周期較長。TEC電流環相對來說是內環，需要更短的更新周期。TEC 電流環路大約 1 ms 的周期和熱環路大約 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，這是許多微控制器上的功能。定時器可以設置為每 1 毫秒觸發一次，或者內部循環需要的任何時間。然后，一個簡單的計數器可確保熱循環每十次迭代 TEC 電流循環或以任何其他適當的比率更新一次。

　　適用于該應用的微控制器可作為通用部件或專門設計的產品提供。Texas Instruments MSP430 系列的成員，例如FR5738，可以為光學模塊應用提供良好的支持。它包括 16 KB 的鐵電存儲器，用于低功耗代碼和配置數據存儲。MSP430FR5738 基于 16 位處理器內核，包括一個 14 通道、10 位 ADC，該 ADC 具有 PWM 輸出定時器來驅動一個電源電路，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 配置和內存大小的各種組合。Maxim Integrated的DS4830就是

　　專門為光模塊控制而設計的一個示例。 DS4830 是一款 16 位微控制器，具有實現細粒度 TEC 控制所需的資源。該微控制器包括一個帶有 26 輸入多路復用器的 13 位模數轉換器 （ADC） 和一個可用于偏置電壓的 8 通道 12 位數模轉換器 （DAC）由模塊的熱敏電阻采用的分壓器。為了在直接驅動 H 橋電源轉換器電路時提供對電流電平的高分辨率數字控制，DS4830 采用了 10 個脈寬調制 （PWM） 通道，每個通道具有 12 位分辨率。對于代碼和數據存儲，該器件具有 32 Kword 的 Flash 存儲器和 1 Kword 的 SRAM。為了支持閉環控制的算術需求，DS4830 的 16 位處理器內核包括一個帶有 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量的外部數字溫度傳感器 IC。除了對片上閃存進行密碼保護的系統內重新編程外，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用需要時控制多個光學模塊所需的馬力。ADUC7122 包括一個 1 Msample/s、12 位數據采集系統，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，以協助滿足閉環控制和數字濾波的算術要求。

　　為支持光學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 光網絡系統的要求，無論它們是通用部件還是專用部件。