對增加帶寬的持續需求導致部署基于光纖的網絡。由固態激光器驅動的光纖線路具有非常高的信息密度。諸如DWDM（密集波分復用）??的高度打包的數據方案利用多個激光器驅動光纖以獲得大的多通道數據流。窄通道間隔依賴于激光波長控制在0.1nm（納米）以內。激光能夠做到這一點，但溫度變化會影響操作。圖1繪制了典型的激光波長與溫度的關系圖。 0.1nm /°C的斜率意味著雖然溫度有助于調整激光波長，但一旦激光達到峰值，它就不能改變。通常，需要0.1°C的溫度控制才能使激光器工作在0.1nm以內。

溫度控制器要求

溫度控制器必須滿足一些不尋常的要求。 1 最值得注意的是，由于環境溫度變化和激光器操作的不確定性，控制器必須能夠提供或移除熱量以保持控制。基于Peltier的熱電冷卻器（TEC）允許這樣做，但控制器必須是真正的雙向。它的熱流控制在“熱到冷”過渡區域不得有死區或不良動態。此外，溫度控制器必須是一個精密設備，能夠在0.1°C內保持良好的控制時間和溫度變化。

基于激光的系統封裝結構緊湊，需要小尺寸的解決方案，有效操作以避免過熱耗散。

最后，控制器必須使用單個低壓電源工作，并且其（可能是開關模式）操作不得使噪聲損壞電源。

溫度控制器詳細信息

圖2，熱電冷卻器（TEC）溫度控制器的示意圖，包括三個基本部分。 DAC和熱敏電阻形成一個橋，其輸出由A1放大。 LTC1923控制器是一個脈沖寬度調制器，可為功率輸出級提供適當的調制和相位驅動。激光器是一種電氣微妙且非常昂貴的負載。因此，控制器提供各種監控，限制和過載保護功能。這些包括軟啟動和過流保護，TEC電壓和電流檢測以及“越界”溫度檢測。異常操作導致電路關閉，防止激光模塊損壞。另外兩個功能可提升系統級兼容性。基于鎖相環的振蕩器允許多激光器系統中多個LTC1923的可靠時鐘同步。最后，向TEC的開關模式功率輸送是有效的，但是需要特別考慮以確保不將開關相關噪聲引入（“反射”）到主機電源中。 LTC1923具有邊沿壓擺限制功能，可通過減慢功率級的轉換時間來最大限度地減少與開關相關的諧波。這大大降低了高頻諧波含量，防止過多的開關相關噪聲破壞電源或激光。 2 開關模式功率輸出級，一種“H橋”型，允許高效的雙向驅動TEC，允許加熱或冷卻激光。熱敏電阻，TEC和激光器，在激光器模塊內制造時封裝，緊密熱耦合。

DAC允許將溫度設定點調整到任何單個激光器的最佳工作點，通常為每個激光器指定。控制器增益和帶寬調整可優化熱回路響應，以獲得最佳溫度穩定性。

熱回路考慮因素

高性能溫度控制的關鍵是將控制器的增益帶寬與熱反饋路徑相匹配。從理論上講，使用傳統的伺服反饋技術來做這件事很簡單。實際上，熱系統中固有的長時間常數和不確定的延遲是一個挑戰。伺服系統和振蕩器之間的不幸關系在熱控制系統中非常明顯。

熱控制回路可以非常簡單地建模為電阻器和電容器網絡。電阻器相當于熱阻，電容器相當于熱容量。在圖3中，TEC，TEC傳感器接口和傳感器都具有RC因子，這些因素導致系統響應能力的集中延遲。為防止振蕩，必須限制增益帶寬以解決此延遲。由于高增益帶寬對于良好控制是理想的，因此應該最小化延遲。這可能是激光模塊在制造時的供應商所解決的。

該模型還包括受控環境與不受控制的環境之間的絕緣。絕緣的作用是保持損耗率，使溫度控制裝置能夠跟上損耗。對于任何給定的系統，TEC傳感器時間常數與絕緣時間常數之間的比率越高，控制回路的性能越好。 3

溫度控制回路優化

溫度控制回路優化始于激光模塊的熱特性。上一節強調了TEC傳感器與絕緣時間常數之比的重要性。確定該信息可以實現可實現的控制器增益帶寬。圖4顯示了典型激光模塊在環境溫度下經歷40°C階躍變化時的結果。激光模塊的內部溫度由其熱敏電阻監控，與TEC無動力時間對時間作圖。以分鐘為單位測量的環境到傳感器滯后顯示了經典的一階響應。

TEC傳感器集總延遲的特點是操作圖2電路中的激光模塊，增益設置為最大值且未安裝補償電容。在LTC1923誤差放大器輸出端測量的圖5顯示了由于熱滯后主導環路引起的大信號振蕩。本演示文稿中包含大量有價值的信息。 4 主要由TEC傳感器滯后決定的頻率意味著可以實現環路帶寬的限制。該頻率與激光模塊的熱時間常數的高比率（圖5）意味著簡單的主導極環補償將是有效的。飽和限制波形表明過度增益正在推動環路進入完全冷卻和加熱狀態。最后，非對稱占空比反映了TEC在制冷和制熱模式下的不同熱效率。

控制器增益帶寬從圖5的極值產生圖6的顯示。波形是溫度設定點的一小步（≈0.1°C）變化的結果。增益帶寬仍然過高，在持續時間超過2分鐘時產生阻尼響鈴響應。循環只是略微穩定。圖7的測試條件相同，但增益帶寬已顯著降低。響應仍然不是最佳的，但建立時間約為4.5秒，比前一種情況快約25倍。圖8的響應是在進一步降低的增益帶寬設置下進行的，幾乎是臨界阻尼，并在大約2秒內干凈地穩定下來。以這種方式優化的激光模塊可以輕松地將外部溫度變化衰減幾千倍而不會出現過沖或過度滯后。此外，雖然各種激光器模塊之間存在很大的熱差異，但有一些關于增益帶寬值的通用指南是可能的。 5 1000增益足以滿足所需的溫度控制，帶寬低于1Hz，提供足夠的環路穩定性。圖2的建議增益和帶寬值反映了這些結論，但任何特定情況的穩定性測試都是強制性的。

溫度穩定性驗證

一旦優化了環路，就可以測量溫度穩定性。通過使用穩定的校準差分放大器監測熱敏電阻橋偏移來驗證穩定性。 6 圖9記錄了冷卻模式下50秒內±1毫秒的基線穩定性。更嚴格的測試測量長期穩定性，環境溫度有顯著變化。圖10的條形圖記錄測量冷卻模式穩定性，該環境在9小時內每小時高于環境溫度20°C。 7 數據顯示0.008°C產生的變化，表明熱增益為2500。 8 在9小時的標繪長度上0.0025°C的基線傾斜來自環境溫度的變化。圖11使用相同的測試條件，但控制器在加熱模式下運行。 TEC的較高加熱模式效率可提供更高的熱增益，從而使穩定性提高4倍，達到約0.002°C的變化。基線傾斜，只是可檢測到，與圖10相比顯示出類似的4倍改善。

這種性能水平確保了所需的穩定激光特性。長期（年）溫度穩定性主要由熱敏電阻老化特性決定。 9

反射噪聲性能

向TEC提供的開關模式功率提供了有效的操作，但引起了對通過電源注入主機系統的噪聲的擔憂。特別是，開關邊沿的高頻諧波含量會破壞電源，從而導致系統級問題。這種“反射”的噪音可能很難處理。 LTC1923通過控制其開關邊沿的轉換來避免這些問題，從而最大限度地降低了高頻諧波含量。 10 這種開關瞬變的減慢通常會使效率降低1％到2％，這對于大大提高了噪音性能。圖12顯示了使用時具有壓擺控制的適當旁路5V電源的噪聲和紋波。頻率為1mV的低頻紋波通常不是問題，與高頻轉換相關分量相反，高頻轉換相關分量的幅度僅約為500μV。通過禁用它可以測量擺動限制的有效性。這在圖13中完成，高頻內容增加4.4倍至約2.2mV。

結論

LTC1923提供完整激光溫度控制器解決方案所需的性能和功能。 “熱冷”控制功能可確保所需的溫度穩定性，保護和監控功能可保護昂貴的激光器。