CN107562087A - 基于加热器的温度控制方法及装置、光模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于加热器的温度控制方法及装置、光模块，其中，该方法包括：检测阵列波导光栅AWG中激光器的管芯温度；计算所述管芯温度和设定温度之间的温度差；根据所述温度差调整所述AWG的管芯温度。通过本发明，解决了相关技术中的在调整AWG的管芯温度时容易导致加热器电流瞬间变大的问题。

Description

基于加热器的温度控制方法及装置、光模块

技术领域

本发明涉及光通信领域，具体而言，涉及一种基于加热器的温度控制方法及装置、光模块。

背景技术

相关技术中，光模块主要由光接收和光发送两个部分组成，此外还包括MCU(MicroController Unit)和FPGA(Field Programmable Gate Array)控制单元和电源单元。其中光接收侧器件集成了阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating，简称为AWG)，实现对10×10Gb/s的合波光信号进行分光处理，不同的波长对应唯一的信道中心，但是对于AWG而言，由于存在玻璃材料反射系数的原因，故AWG的各个相应信道中心波长会随着温度的不同有所变化，温度每变化1摄氏度，AWG的信道将会漂移11pm。在标准的AWG中，这种温漂是靠有源温度控制系统来抑制的，以保证AWG的信道与ITU(International TelecommunicationUnion)标准相符。为了不影响系统的性能，AWG芯片的温度变化必须保持在±0.5℃之内。因此heater控制电路则实现对AWG的温度控制。

接收机硬件电路通过加热器(heater)来控制接收机的温度，heater只能够对接收机进行加热，不能够制冷。当AWG温度高于设定工作温度时，heater控制电路控制heater加热电极，减少heater电流的大小，使AWG温度降低；当AWG温度低于设计工作温度时，heater控制电路控制heater加热电极，增大heater电流的大小，致冷器对管芯加热，AWG温度将升高，从而使AWG的工作温度趋于稳定。Heater硬件电路功能的实现是通过AWG组件内热敏电阻(Rt)、半导体致冷器、硬件控制电路形成负反馈环路来完成，从而稳定AWG的各个相应信道中心波长。

相关技术中的接收机heater控制电路设计方案中只有模拟电路，图1是根据本发明相关技术中的模拟heater控制环电路图，其框图如图1所示：

其中：Vset是AWG的工作温度；

V_REF＝2.5V、R1＝10KΩ、V_EE＝3.3V、R_H＝5Ω、R430＝10KΩ、C323＝1μF、R431＝221kΩ

为了测试控制环的稳定性需要不断的改变AWG的工作温度点Vset，设置V_set＝0.5V，在漏极电压V_d上有震荡，瞬间产生一个大的heater电流，此时V_th＝1.25V时，但会慢慢锁定到工作点的温度；接着将AWG的工作温度进行改变，将其设置为V_set＝0.3V时，漏极电压V_d上又出现震荡，heater电流还是瞬间变大，但慢慢地还会锁定到工作点的温度，故只要改变AWG的工作温度时，heater电流就会出现瞬间变大的现象。

由此可以得出：瞬间产生一个大的heater电流是硬件电路设计上缺陷导致，并且接收侧heater控制电路的响应随着接收侧AWG温度的改变而变化，并且只能通过调整电阻和电容值的大小来实现对锁定时间的改变，故造成电路的可移植性差，控制不精准等等问题。

针对相关技术中存在的上述问题，目前尚未发现有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于加热器的温度控制方法及装置、光模块，以至少解决相关技术中在调整AWG的管芯温度时容易导致加热器电流瞬间变大的问题。

根据本发明的一个实施例，提供了一种基于加热器的温度控制方法，包括：检测阵列波导光栅AWG中激光器的管芯温度；计算所述管芯温度和设定温度之间的温度差；根据所述温度差调整所述AWG的管芯温度。

可选地，检测AWG中激光器的管芯温度包括：获取所述AWG中热敏电阻的电压值；依据电压值与温度值之间的预设对应关系将所述电压值转换为对应的温度值；确定计算的所述温度值为当前的管芯温度。

可选地，根据所述温度差调整所述AWG的管芯温度之前，所述方法 包括：对所述温度差进行比例积分得到积分结果；根据所述积分结果调整所述管芯温度。

可选地，根据所述积分结果调整所述管芯温度包括：根据所述积分结果生成用于控制所述AWG中的压控电流源的第一电压信号；通过根据所述第一电压信号控制对所述激光器的管芯进行加热的方式，调整所述管芯温度。

可选地，根据所述温度差调整所述AWG的管芯温度包括：根据所述温度差生成用于控制所述AWG中的压控电流源的第二电压信号；通过根据所述第二电压信号控制对所述激光器的管芯进行加热的方式，调整所述管芯温度。

可选地，根据所述第一电压信号控制对所述激光器的管芯进行加热的方式包括：根据所述第一电压信号控制所述AWG中热敏电阻的阻值的大小的方式，控制对所述激光器的管芯进行加热。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种光模块，包括：光接收器件、现场可编程门阵列FPGA控制单元，所述光接收器件包括阵列波导光栅AWG，所述光模块还包括：heater(加热器)控制装置，用于通过所述FPGA控制单元来控制所述AWG的管芯温度。

可选地，所述heater控制装置还包括：检测器件，与所述AWG中的热敏电阻连接，用于检测所述AWG中激光器的管芯温度；计算电路，集成在所述FPGA控制单元中，与所述检测器件连接，用于计算所述管芯温度和设定温度之间的温度差；调整电路，与所述计算电路连接，用于根据所述温度差调整所述AWG的管芯温度。

可选地，检测器件还包括：检测电路，用于检测所述AWG中热敏电阻的模拟电压信号；模数转换器ADC，将所述模拟电压信号转换为数字电压信号；处理单元，用于依据电压值与温度值之间的对应关系将所述数字电压信号转换为对应的温度值。

可选地，所述计算电路还包括：计算模块，用于计算所述管芯温度和 设定温度之间的温度差；比例积分模块，用于对所述温度差进行比例积分得到积分结果。

可选地，所述调整电路还包括：数模转换器，与所述比例积分模块连接，用于将所述积分结果转换为对应的模拟信号；调整单元，用于根据所述模拟信号控制所述AWG中热敏电阻的阻值的大小。

根据本发明的又一个实施例，提供了一种基于加热器的温度控制装置，包括：检测模块，用于检测阵列波导光栅AWG中激光器的管芯温度；计算模块，用于计算所述管芯温度和设定温度之间的温度差；调整模块，用于根据所述温度差调整所述AWG的管芯温度。

根据本发明的又一个实施例，还提供了一种存储介质。该存储介质设置为存储用于执行以下步骤的程序代码：

检测阵列波导光栅AWG中激光器的管芯温度；

计算所述管芯温度和设定温度之间的温度差；

根据所述温度差调整所述AWG的管芯温度。

通过本发明，检测阵列波导光栅AWG中激光器的管芯温度，然后计算所述管芯温度和设定温度之间的温度差，最后根据所述温度差调整所述AWG的管芯温度，管芯温度是AWG的工作温度，通过使用数字计算并反馈调整管芯温度的方式，可以消除加热器电流瞬间变大的缺陷，且允许有相当大的灵活性改变锁定时间，解决了相关技术中的在调整AWG的管芯温度时容易导致加热器电流瞬间变大的问题，具有灵活方便的使用效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明相关技术中的模拟heater控制环电路图；

图2是根据本发明实施例的基于加热器的温度控制方法的流程图；

图3是根据本发明实施例的基于加热器的温度控制装置的结构框图；

图4是根据本发明实施例的光模块的结构框图；

图5是根据本发明实施例的heater模数结合控制环框图；

图6是根据本发明实施例的热敏电阻的电压与温度的关系图；

图7是根据本发明实施例的功率和温度的关系图；

图8是根据本发明实施例的heater数字控制框图；

图9是根据本发明实施例的heater模拟控制框图；

图10是根据本发明实施例的100G模块中AWG heater控制框图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

实施例1

在本实施例中提供了一种基于加热器的温度控制方法，图2是根据本发明实施例的基于加热器的温度控制方法的流程图，如图2所示，该流程包括如下步骤：

步骤S202，检测阵列波导光栅AWG中激光器的管芯温度；

步骤S204，计算管芯温度和设定温度之间的温度差；

步骤S206，根据温度差调整AWG的管芯温度。

通过上述步骤，检测阵列波导光栅AWG中激光器的管芯温度，然后计算管芯温度和设定温度之间的温度差，最后根据温度差调整AWG的管芯温度，管芯温度是AWG的工作温度，通过使用数字计算并反馈调整管芯温度的方式，可以消除加热器电流瞬间变大的缺陷，且允许有相当大的 灵活性改变锁定时间，解决了相关技术中的在调整AWG的管芯温度时容易导致加热器电流瞬间变大的问题，具有灵活方便的使用效果。

可选地，上述步骤的执行主体可以为heater的温度控制装置，如AWG的加热器控制装置等，但不限于此。

可选的，检测AWG中激光器的管芯温度具体包括：

S11，获取AWG中热敏电阻的电压值；

S12，依据电压值与温度值之间的预设对应关系将电压值转换为对应的温度值；

S13，确定计算的所述温度值为当前的管芯温度。

步骤S204，计算管芯温度和设定温度之间的温度差；

S21，对温度差进行比例积分得到积分结果；

S22，根据积分结果调整管芯温度。可以将积分结果给DA(数模转换器)或者积分结果给开方模块后，再给DA。

进一步的，根据积分结果调整管芯温度包括：

S31，根据积分结果生成用于控制AWG中的压控电流源的第一电压信号；

S32，通过根据第一电压信号控制对激光器的管芯进行加热的方式，调整管芯温度。

可选的，根据第一电压信号控制对激光器的管芯进行加热的方式包括：根据第一电压信号控制AWG中热敏电阻的阻值的大小的方式，控制对激光器的管芯进行加热

可选的，根据温度差调整AWG的管芯温度包括：

S41，根据温度差生成用于控制AWG中的压控电流源的第二电压信号；

S42，通过根据第二电压信号控制对激光器的管芯进行加热的方式， 调整管芯温度。

进一步的，根据第二电压信号控制对激光器的管芯进行加热的方式包括：根据第二电压信号控制AWG中热敏电阻的阻值的大小的方式，控制对激光器的管芯进行加热。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到根据上述实施例的方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例的方法。

实施例2

在本实施例中还提供了一种基于加热器的温度控制装置，实体设备光模块，用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

图3是根据本发明实施例的基于加热器的温度控制装置的结构框图，如图3所示，该装置包括：

检测模块30，用于检测阵列波导光栅AWG中激光器的管芯温度；

计算模块32，用于计算管芯温度和设定温度之间的温度差；

调整模块34，用于根据温度差调整AWG的管芯温度。

图4是根据本发明实施例的光模块的结构框图，光模块是本实施例的一种具体应用实体设备，也可以将heater控制装置应用在其他设备中，在此以光模块为例进行说明，其他设备同样适用，如图4所示，该光模块包括：光接收器件40、现场可编程门阵列FPGA控制单元42，光接收器件40包括阵列波导光栅AWG402，光模块还包括：加热器(heater)控制装置44，用于通过FPGA控制单元来控制AWG的管芯温度。

可选的，heater控制装置44还包括：检测器件，与AWG中的热敏电阻连接，用于检测AWG中激光器的管芯温度；计算电路，集成在FPGA控制单元中，与检测器件连接，用于计算管芯温度和设定温度之间的温度差；调整电路，与计算电路连接，用于根据温度差调整AWG的管芯温度。

可选的，检测器件还包括：检测电路，用于检测AWG中热敏电阻的模拟电压信号；模数转换器ADC，将模拟电压信号转换为数字电压信号；处理单元，用于依据电压值与温度值之间的预设对应关系将数字电压信号转换为对应的温度值，并确定温度值为管芯温度。

可选的，计算电路还包括：计算模块，用于计算管芯温度和设定温度之间的温度差；比例积分模块，用于对温度差进行比例积分得到积分结果。

可选的，调整电路还包括：数模转换器，与比例积分模块连接，用于将积分结果转换为对应的模拟信号；调整单元，用于根据模拟信号控制AWG中热敏电阻的阻值的大小。

需要说明的是，上述各个模块是可以通过软件或硬件来实现的，对于后者，可以通过以下方式实现，但不限于此：上述模块均位于同一处理器中；或者，上述各个模块以任意组合的形式分别位于不同的处理器中。

实施例3

本实施例是根据本发明的可选实施例，用于对本申请进行详细的说明：

本实施例提出了一种动态可调Heater(加热器)电流的控制装置，可以通过修改参数设置，来改变锁定时间和解决瞬间电流变大的问题，来满足不同的接收机器件中的AWG工作温度不同的需求。与传统的方法相比，用数字反馈可以消除瞬间heater电流变大，且允许有相当大的灵活性改变锁定时间，故本系统具有灵活、方便实用的特点。

图5是根据本发明实施例的heater模数结合控制环框图，见附图5所示：

Heater电流控制算法工作流程如下：首先通过ADC采集热敏电阻的电压值Vth，依据下列公式所示，将热敏电阻的电压值转化为温度：

其中：T₀＝25℃，代表参考温度；

R₀＝10KΩ，代表在25℃时热敏电阻的阻值；

β＝3475K,代表热敏电阻的温度系数，并且摄氏温度和绝对温度的转化公式为：T(K)＝T[℃]+273.15

并且热敏电阻的电压值和温度的关系如图6所示，图6是根据本发明实施例的热敏电阻的电压与温度的关系图，是根据多次测试得到的数据，由图6可以看出：当热敏电阻的电压变小时，转化的温度值变大；当热敏电阻的电压变大时，转化的温度值则变小；但由于电压转化为温度的公式比较复杂，故需要采用查找表来解决此问题。

转化后的温度值T_H与设定的工作温度T_set进行相减，并将结果T_err进行比例积分，但由下列公式可知：

说明heater的功率与输出的积分结果呈线性关系。X值大，heater的功率值就变大；同时，由于heater的功率与其温度呈正比例关系，图7是根据本发明实施例的功率和温度的关系图，如图7所示：

故可以得出结论：当DAC输出的数据变大时，heater的功率就变大，那么heater的温度就升高，热敏电阻感应heater的温度，其阻值就会变小， 那么热敏电阻的电压也随之变小，反之亦然。

在本实施例中，数字部分包括以下：

图8是根据本发明实施例的heater数字控制框图，heater控制环的数字部分的功能框图如图8所示：

图8中101为AD数据采集，将模拟的电压信号转化为数字信号，作为heater控制环的输入数据，102为查找表的实现模块，完成将输入的电压V_th转化为温度T_th；103将转化的温度值T_th与设定的AWG(Arrayed Waveguide Grating)工作点的温度值T_set取差值T_err；104将差值的结果T_err进行比例积分；105将积分的结果sum送给外部DA芯片。

本实施例的heater电流的数字控制环的工作步骤如下：

步骤一：设置AWG(Arrayed Waveguide Grating)的工作温度值T_set以及比例积分的比例系数ki、kp；由于ki、kp的系数是可设，故比例积分的步长是可变的。

步骤二：通过ADC采集芯片，将输入模拟电压转化为数字电压V_th；

步骤三：依据ROM查找表，将输入的电压值找出对应的温度值。依据公式(1)将电压转化温度做成ROM查找表时需要考虑FPGA资源的使用率。由于ADC是16位精度的芯片，ADC取值范围0～65535，而AWG(Arrayed Waveguide Grating)的工作温度绝大多数在75℃附近，故可将查找表的寻址范围变小，在65℃～85℃之间进行细查，高于85℃和低于65℃时，输出一个固定温度值。

步骤四：将查找表的结果与设定的温度值T_set取差值。当差值为正，说明高于设定的温度T_set，需要降温，反之需要升温。

最后，将结果Terr给比例积分模块，将其结果输出result给DAC进一步处理。

在本实施例中，模拟部分的实现包括如下：

图9是根据本发明实施例的heater模拟控制框图，该模拟电路将输入的电压值转化为电流，当电流Id变大时，heater的功率就变大，随之heater温度就升高，热敏电阻感应heater的温度，其阻值就减小，依据下列公式得出：

其热敏电阻的电压值则也随着变小，反之也成立。

模拟电路选取的器件参数如下所示：R₁＝10KΩ、R₂＝10kΩ、V_CC＝2.5V、R_H＝5Ω、V_REF＝2.5V。

下面结合模拟部分和数字部分进行整体说明，图10是根据本发明实施例的100G模块中AWG heater控制框图，装置包括：模拟控制电路和数字反馈部分，共同构成了AWG(Arrayed Waveguide Grating)heater电流的控制电路，该实施例已在某光模块项目中应用，如图10所示。在某光模块的接收侧中，每个ROSA(Receiver Optical Subassembly)内部都集成了AWG(Arrayed Waveguide Grating))，而只有每一个ROSA(Receiver OpticalSubassembly)器件对应的AWG(Arrayed Waveguide Grating)工作在合适的温度下，才能让每一路光信号通过自己的栅格，才能将接收端送来的100Gb/s光信号，经AWG(ArrayedWaveguide Grating)分波为10路并行的10Gb/s光信号，故使用热敏电阻来检测AWG(Arrayed Waveguide Grating)的激光器的管芯温度变化，当温度升高时，热敏电阻的阻值变小，那么热敏电阻的电压也随之变小，通过AD采集该电压的变化，将该电压转化为温度后，与设定温度信号进行比较，输出的差值通过积分，产生用于控制heater制热器的压控电流源的电压信号，heater制热器根据流入heater电流的大小对激光器的管芯进行加热，从而控制接收机的温度。故heater控制电路是一个负反馈温度控制环路，可以实现接收机的温度稳定。

综上，针对接收机heater的工作温度进行控制场景，都可以采用数字 和模拟相结合的控制方式，来稳定AWG(Arrayed Waveguide Grating)的工作点温度。

实施例4

本发明的实施例还提供了一种存储介质。可选地，在本实施例中，上述存储介质可以被设置为存储用于执行以下步骤的程序代码：

S1，检测阵列波导光栅AWG中激光器的管芯温度；

S2，计算管芯温度和设定温度之间的温度差；

S3，根据温度差调整AWG的管芯温度。

可选地，在本实施例中，上述存储介质可以包括但不限于：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

可选地，在本实施例中，处理器根据存储介质中已存储的程序代码执行检测阵列波导光栅AWG中激光器的管芯温度；

可选地，在本实施例中，处理器根据存储介质中已存储的程序代码执行计算管芯温度和设定温度之间的温度差；

可选地，在本实施例中，处理器根据存储介质中已存储的程序代码执行根据温度差调整AWG的管芯温度。

可选地，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方式中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模 块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种基于加热器的温度控制方法，其特征在于，包括：

检测阵列波导光栅AWG中激光器的管芯温度；

计算所述管芯温度和设定温度之间的温度差；

根据所述温度差调整所述AWG的管芯温度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，检测AWG中激光器的管芯温度包括：

获取所述AWG中热敏电阻的电压值；

依据电压值与温度值之间的对应关系将所述电压值转换为对应的温度值；

确定计算的所述温度值为当前的管芯温度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述温度差调整所述AWG的管芯温度之前，所述方法包括：

对所述温度差进行比例积分得到积分结果；

根据所述积分结果调整所述管芯温度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述积分结果调整所述管芯温度包括：

根据所述积分结果生成用于控制所述AWG中的压控电流源的第一电压信号；

通过根据所述第一电压信号控制对所述激光器的管芯进行加热的方式，调整所述管芯温度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述温度差调整所述AWG的管芯温度包括：

根据所述温度差生成用于控制所述AWG中的压控电流源的第二电压信号；

通过根据所述第二电压信号控制对所述激光器的管芯进行加热的方式，调整所述管芯温度。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述第一电压信号控制对所述激光器的管芯进行加热的方式包括：根据所述第一电压信号控制所述AWG中热敏电阻的阻值的大小的方式，控制对所述激光器的管芯进行加热。

7.一种光模块，包括：光接收器件、现场可编程门阵列FPGA控制单元，所述光接收器件包括阵列波导光栅AWG，其特征在于，

所述光模块还包括：heater控制装置，用于通过所述FPGA控制单元来控制所述AWG的管芯温度。

8.根据权利要求7所述的光模块，其特征在于，所述heater控制装置还包括：

检测器件，与所述AWG中的热敏电阻连接，用于检测所述AWG中激光器的管芯温度；

计算电路，集成在所述FPGA控制单元中，与所述检测器件连接，用于计算所述管芯温度和设定温度之间的温度差；

调整电路，与所述计算电路连接，用于根据所述温度差调整所述AWG的管芯温度。

9.根据权利要求8所述的光模块，其特征在于，检测器件还包括：

检测电路，用于检测所述AWG中热敏电阻的模拟电压信号；

模数转换器ADC，将所述模拟电压信号转换为数字电压信号；

处理单元，用于依据电压值与温度值之间的对应关系将所述数字电压信号转换为对应的温度值。

10.根据权利要求9所述的光模块，其特征在于，所述计算电路还包括：

计算模块，用于计算所述管芯温度和设定温度之间的温度差；

比例积分模块，用于对所述温度差进行比例积分得到积分结果。

11.根据权利要求10所述的光模块，其特征在于，所述调整电路还包括：

数模转换器，与所述比例积分模块连接，用于将所述积分结果转换为对应的模拟信号；

调整单元，用于根据所述模拟信号控制所述AWG中热敏电阻的阻值的大小。

12.一种基于加热器的温度控制装置，其特征在于，包括：

检测模块，用于检测阵列波导光栅AWG中激光器的管芯温度；

计算模块，用于计算所述管芯温度和设定温度之间的温度差；

调整模块，用于根据所述温度差调整所述AWG的管芯温度。