TEC这个词，中文意思就是半导体制冷器，指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象，这个现象叫帕尔贴（Peltier）效应。可能大家没听过帕尔贴效应是什么，但搞材料方向的朋友应该了解另一个效应——塞贝克效应，其实帕尔贴效应就是塞贝克效应的逆向过程。（TEC的外观如图一、内部结构如图二）
图一：TEC外观
图二：TEC内部结构
那有人会说不就是个控温嘛，加热棒、冲压机、高低温箱都可以解决温度的问题，不一定需要TEC，而且TEC的功率又小，那到底TEC有啥好处呢？其实在光通信行业尤其是光器件（光芯片）行业，TEC的优点就非常明显：
1、体积小巧、功耗低，易于集成到器件（芯片）内部；
2、只需要给直流供电，通过电流的正负来决定加热或者降温；
3、没有引入机械振动，使光器件的工作更稳定；
4、光器件的内腔体积小，内部的TEC温度上升和下降可以非常稳定和快速；
正是由于上述的优点，使得在光通信行业里面TEC的应用非常非常多。
那激光器为什么要控温呢？理解了激光器的特性就可以知道：由于激光器对温度非常敏感，一旦温度升高或者降低将会导致波长发生漂移，也就是我们常说的温漂(WL Shift),
所以在考量激光器性能的很多参数里，一定会有温漂的测试要求。一般国际电信联盟（ITU）规定波长漂移不得超过波长间隔的1/5，国内要求是1/10。具体化来说，如100GHz的DWDM，通道间隔是0.8nm（推导公式如下图三），那波长漂移不能超过它的1/10，也就是0.08nm，实际上DFB激光器芯片的温漂是0.1nm/℃，也就是要求控制激光器工作温度偏移需要≤0.8℃，而实际工程中的要求可能更高，所以DWDM对温度控制精度的要求还是挺高的。
图三：波长和通道间隔的关系
激光器在工作的时候，工作电流和模块环境的变化会导致温度升降，从而造成波长的漂移，就是因为如此，我们才需要监测和控制激光器的内部温度变化。热敏电阻和TEC的配合就是用来完成这项任务的：热敏电阻用来监控腔体内的当前温度，而TEC好比是空调，负责调节温度；两个形成反馈回路，保证激光器能一直处于相对恒温的环境之中。下图就是一个典型的激光器内部原理图，其中集成了TEC和热敏电阻。
图四：可控温激光器件内部原理图
除了光通信，很多与激光有关的其它行业都对控温有要求，只是在光通信行业尤其明显而已。比如除了之前提到的DWDM、数据中心、25G EML/DML、硅光SiPh等，很多长距离传输都会对控温提出要求。尤其在5G爆发的今天，还有一个“非常火”的应用，那就是Tunable Laser——波长可调谐激光器。
那Tunable Laser火的原因是什么呢？简单说下，对于系统商和通信运营商而言，传统的DWDM固定波长的缺点很明显：
1、随着技术的发展DWDM 50GHz的波长达到数百个，每个激光器的备份必须由可替换波长的激光器提供，导致备份DWDM的模块数量增加，运营成本上升；
2、由于DWDM波长固定、一旦损坏必须及时更换，所以必须要有足够多的备份，而这样就很难预测备货的模块数量，导致成本的上升；
3、如果光网络中要求动态波长分配，提高组网灵活性，就必须配备大量的DWDM模块，但实际使用率很低，造成资源浪费；
Tunable Laser正好弥补了传统DWDM的这些不足：同一个光模块可以配置输出不同的DWDM波长，且这些波长值和间隔均满足ITU-T的要求。这样的好处就是，如果运营商需要智能组网，就不需要备份太多的光模块，也不需要去人工更换光模块，只需要远程通过软件重新配置一下波长就可以了，这极大的节省企业成本，也开始被很多大公司青睐，在可预见的未来会得到广泛的运用。
那到底Tunable Laser长啥样？参照图五，右边是它的光谱：
图五：光迅25G Tunable TOSA和梳状谱
那一般Tunable Laser的实现有哪些方案呢？见下图：
通过上面的表达式可以看出，温度控制器（包括热敏电阻，PID 控制电路和TEC）的各部分功能组合在一起实际上就是一个温度锁定环路。当探测温度TR(t)相对于设定值T0 发生偏离时，TEC 电流iTEC(t)就会自动变化，通过TEC 加热或致冷来纠正TR(t)，直到TR(t)重新回到设定值T0 为止。
在激光器件调测中，通过改变TEC的工作电流来控制温度，测试不同温度情况下激光器件的波长、功率、转换效率等各种性能指标。一般来说，中温情况下，我们采用“最小稳定时间”的方式来追求速度；而极限温度下，为了安全，我们一般采用“最小温度过冲”的方式，以避免超过安全温度对器件的损坏。下图表示了两种方式的温度对时间的变化曲线。
实际工作中，这些不同的工作模式需要通过设置PID参数来实现。由于P-I-D是三个不同的参数，所以工程师需要尝试不同的组合来获得满足预期的温控过程和结果。工程师们常常采用的工作流程是：固定其中一个参数，然后改变另外两个参数，等待并监测温度稳定的过程，随后进行测试，观测结果的变化趋势，根据变化趋势和理想曲线的偏差去尝试修改温控参数，再来一遍……直到满足要求。这就是整个调测过程中最繁杂、最耗时的环节——测试本身可能只需要数秒就能完成，而完整实现特定温度设定的尝试却可能需要数天甚至数周才能达到预期。
不同的激光器使用的TEC和热敏电阻可能不一样，特别是在激光器封装、光模块制造的来料检测、光模块固件调试等经常面对不同激光芯片和器件的工作中，频繁改变的器件特性会导致温控参数的重新修订，这成为了缩短工作完成时间的一大障碍。而众所周知，上市时间会对产品价格产生巨大影响，甚至决定产品的生死。“温控”这个繁杂、“没有技术含量”（却和操作人员经验有关）但无法跨越的工作，常常成为缩短产品上市时间的一个显著瓶颈。
有的TEC控制源表带有PID自动调谐功能，结合高效准确的算法能自动锁定PID参数，这样可以大大节省测试时间，加快产品开发速度。
小结：
最后由于篇幅有限，我们无法展开讲述得特别细致，其实光通信行业激光器对温度讨论还有很多，这篇短文只重点讲了DWDM和Tunable Laser。随着光通信行业的发展，与温度相关的测试应用会越来越多。简单来说，只要在激光器内部布局了TEC，那就意味着温度对该激光器的性能影响会较为显著，那么相应温度发热的测试也一定很重要，这也对TEC本身以及相应的温度控制器提出了相应的要求。
柯泰建议TEC及温度控制器的特性应包括如下几点：
1. 能进行数字P-I-D控制，并且能针对不同激光器进行自动的参数调整
2. 温度控制的过程中能显示和调整TEC的各项参数，比如电流、电压、电阻、PID参数
3. 测温重复精度≤0.1°（尽可能小）,支持4线测试；可覆盖的设置温度范围尽可能宽，至少也要包含-45°到125°（I-Temp）的范围
4. 能对TEC的AC和DC参数进行测试，比如测试TEC的AC电阻的DC电阻
5. 兼容R&D的测试、也能兼容产线的批量测试，比如TEC控温的效率、温度稳定速度等
相关图片和数据来自论文和产品资料，这里特别感谢：
1. 武汉光迅科技 Tunable 25G TOSA
2. 美国泰克公司 Keithley 2510-AT
3. 论文：《可调谐半导体激光器及其集成模块的热效应研究》
作者：王皓 博士
