Термістор NTC для оптичного зв'язку

X-Meritan виробляє термістор NTC для оптичного зв’язку, який використовується для визначення температури в оптичних трансиверах, включаючи форм-фактори SFP, QSFP і CFP. Ці компоненти розміщуються поблизу лазерного діода або всередині контуру керування TEC для забезпечення зворотного зв’язку температури в реальному часі. Значення опору змінюється передбачувано з температурою, дозволяючи схемі керування підтримувати стабільну робочу точку лазера.

Точний контроль температури в оптичних модулях не є зручною функцією. Довжина хвилі лазера зміщується приблизно на 0,1 нм на градус Цельсія для багатьох лазерів DFB. Температурний дрейф на кілька градусів може вивести вихідний сигнал за межі допустимого канального вікна в системах DWDM. Термістор NTC для оптичного зв'язку забезпечує сигнал зворотного зв'язку, який драйвер TEC використовує для виправлення цього дрейфу.

Як працює термістор NTC в оптичному модулі

Термістор NTC для оптичного зв’язку зазвичай під’єднується до того самого кріплення, що й лазерний діод, або до холодної сторони TEC. У міру зміни температури лазера опір термістора змінюється відповідно до нелінійної кривої, яка визначається значенням R25 і константою B. Схема керування вимірює цей опір, перетворює його на значення температури та регулює струм TEC, щоб повернути лазер до цільової температури.

Співвідношення між опором і температурою відповідає стандартному рівнянню:

R(T) = R25 × exp[ B × (1/T - 1/298,15)]

Де T у кельвінах, а B — константа матеріалу. Для оптичних модулів стандартними є значення B25/50 від 3380 K до 3950 K. Вибір залежить від очікуваного діапазону робочих температур і роздільної здатності, необхідної для схеми керування.

Технічні параметри

У таблиці нижче наведено стандартні конфігурації, доступні від X-Meritan. Для об'ємних проектів можливі власні значення.

Усі значення перевіряються на виробництві. Для кожної партії можна надати повний звіт про випробування з вимірюваннями опору та значення B.

Важлива примітка щодо самонагрівання. Вимірювальний струм через NTC має бути достатньо низьким, щоб потужність, що розсіюється термістором, не підвищувала його температуру більш ніж на 0,1°C. Для 10 кОм NTC з коефіцієнтом дисипації 1,5 мВт/°C це означає, що струм вимірювання повинен залишатися нижче приблизно 120 мкА. Якщо перевищити це значення, терморезистор буде зчитувати температуру, вищу за фактичну температуру лазера, що може призвести до переохолодження контуру керування.

Фізичне проектування та монтаж

X-Meritan постачає термістор NTC для оптичного зв’язку у формі чистого чіпа з Au або Ag-електродами, придатним для скріплення проводів або паяння на керамічних підкладках. Розміри чіпа зазвичай знаходяться в діапазоні від 0,5 мм × 0,5 мм до 1,0 мм × 1,0 мм, а товщина – від 0,2 мм до 0,5 мм. Ця невелика площа дозволяє розміщувати його безпосередньо поруч із лазерним діодом, не перешкоджаючи оптичному шляху.

Для клієнтів, які віддають перевагу попередньо встановленому компоненту, мікросхему можна зібрати на невеликому носії з оксиду алюмінію або нітриду алюмінію за допомогою свинцевих проводів. Цю версію легше обробляти на лініях ручного складання та спрощує процес склеювання.

Поверхня електрода призначена або для склеювання Au дроту, або для пайки PbSn/AuSn. Конкретна металізація підбирається в залежності від процесу монтажу замовника. Ми надаємо таблиці з рекомендованими параметрами з’єднання для кожного типу електрода.

Час відгуку та термозв'язок

Термічна постійна часу чистого чіпа NTC зазвичай становить менше 1 секунди, якщо він змонтований тонким шаром термоклею або припою. У нерухомому повітрі, без монтажу, постійна часу вище. Для застосувань оптичного модуля NTC має бути термічно з’єднаний з тією ж поверхнею, що й лазерний діод або холодна пластина TEC. Товста клейова лінія або повітряний проміжок уповільнить відгук і створить температурний зсув між датчиком і лазером.

Ми рекомендуємо монтувати мікросхему NTC за допомогою термопровідного клею або заготовки для пайки. Товщина склеювального шару повинна бути менше ніж 25 мкм. Це гарантує, що NTC відстежує температуру лазера з мінімальною затримкою, що є критичним для контурів керування TEC, що працюють із частотою оновлення понад 10 Гц.

Стабільність і довгостроковий дрейф

Термістор NTC для оптичного зв’язку може демонструвати невеликий дрейф опору з часом, особливо під час роботи за підвищених температур. Наш склад матеріалу та пасивація електродів зменшують цей дрейф до рівня, який не впливає на продуктивність оптичного модуля протягом типового 10-річного терміну служби. У таблиці нижче показано очікуваний дрейф за різних умов зберігання на основі внутрішнього тестування надійності.

Ці значення базуються на прискореному тестуванні та не є гарантією. Фактичний дрейф залежить від напруги при монтажі, вологості та робочого струму. Ми можемо надати детальний звіт про надійність для кваліфікованих проектів.

Виробництво та контроль якості

Чіпи NTC виробляються на нашому власному підприємстві за допомогою методів обробки кераміки. Виробничий процес включає підготовку порошку, лиття стрічки, друк електродів, спікання, нарізання кубиками та остаточне електричне випробування. Ми контролюємо склад матеріалу власноруч, що дозволяє регулювати значення B і характеристики опору.

Кожна партія перевіряється на:

● Стійкість до 25°C з використанням прецизійної ванни постійної температури

● Значення B, розраховане на основі вимірювань опору при 25°C і 50°C

● Візуальний огляд під збільшенням

● Опір ізоляції

● Додатковий термоцикл за запитом клієнта

Дані випробувань архівуються і можуть бути доступні з кожною відправкою. Ми також підтримуємо індивідуальні процедури вхідної перевірки.

Керівництво по вибору

Щоб вибрати правильний термістор NTC для свого оптичного модуля, враховуйте такі фактори:

1. Значення R25

Загальні значення: 10 кОм і 100 кОм. Нижчі значення опору споживають більше вимірювального струму, але менш чутливі до шуму. Вищі значення опору легше виміряти за допомогою простих схем АЦП. Вибір часто залежить від IC контролера TEC, який використовується в модулі. Багато чіпів лазерного драйвера та контролера TEC оптимізовано для певного діапазону опору NTC, як правило, 10 кОм або 50 кОм.

2. Значення B

Значення B визначає, наскільки опір змінюється на градус. Більше значення B дає більшу зміну опору на градус, що може покращити температурну роздільну здатність. Однак дуже високе значення B також означає, що опір стає дуже високим при низьких температурах, які можуть перевищувати вхідний діапазон схеми вимірювання. B25/50 = 3435 К є загальним компромісом для оптичних модулів, що працюють від -10°C до +75°C.

3. Толерантність

Допуск опору та значення B безпосередньо впливають на точність вимірювання температури. Допуск ±1% опору в поєднанні з допуском значення B ±1% призводить до початкової температурної похибки приблизно ±0,3°C при 25°C. Для програм DWDM, де стабільність довжини хвилі має бути в межах ±0,01 нм, ця помилка може бути занадто великою. Етап калібрування у вбудованому програмному забезпеченні модуля може компенсувати початковий допуск, але допуск має бути достатньо жорстким, щоб калібрування залишалося дійсним у робочому діапазоні.

4. Упаковка та склеювання

NTC має поміститися в вільний простір всередині оптичного модуля. Голі мікросхеми займають найменшу площу, але вимагають з’єднання дротів або обладнання для кріплення матриці. Попередньо встановлені мікросхеми на керамічних носіях спрощують збірку, але додають висоту. Ми можемо надати обидва варіанти та порадити найкращий вибір для вашої виробничої лінії.

5. Самозігрівання

Струм вимірювання повинен бути низьким. Для 10 кОм NTC з коефіцієнтом розсіювання 1,5 мВт/°C максимальний струм вимірювання для самонагрівання 0,1°C становить приблизно 120 мкА. Якщо ваш контролер TEC використовує вищий струм, подумайте про менший опір NTC або більшу мікросхему з вищим коефіцієнтом розсіювання.

Якщо ви не впевнені, які параметри вибрати, надайте номер деталі контролера TEC і цільовий температурний діапазон. Ми можемо порекомендувати сумісну конфігурацію NTC.

Типові програми

Оптичні трансивери SFP і QSFP

Термістори NTC використовуються всередині модуля для моніторингу температури лазера. Сигнал надходить до контролера TEC, який підтримує фіксовану температуру лазера, як правило, 25°C або 45°C залежно від конструкції лазера.

DWDM і когерентні модулі

Для лазерів із вузькою шириною лінії та стабільною довжиною хвилі точність NTC має вирішальне значення. Контур керування повинен утримувати температуру в межах ±0,1°C, щоб підтримувати довжину хвилі в межах зазначеної сітки каналів.

Субмонти лазерних діодів

У корпусах без використання лазерних діодів NTC приєднаний до того самого кріплення, що й лазерний чіп. Це забезпечує пряме вимірювання температури без додаткової теплової маси.

Телекомунікаційні базові станції та зовнішнє обладнання

Термістори NTC також використовуються в схемах моніторингу температури зовнішніх оптичних підсилювачів і трансиверів, де коливання температури навколишнього середовища можуть бути великими.

Часті запитання

З: Яка різниця між значенням R25 і B?

A: R25 - це опір при 25°C. Значення B описує, як опір змінюється з температурою. Обидва параметри необхідні для розрахунку опору при будь-якій іншій температурі. Більше значення B означає, що опір змінюється сильніше для даної зміни температури.

З: Як перетворити опір на температуру в мікропрограмі?

Відповідь: Найпростіший метод полягає у використанні таблиці пошуку, створеної на основі значень R25 і B за допомогою рівняння Стейнхарта-Харта або спрощеного рівняння B. Багато мікросхем контролера TEC мають вбудовані алгоритми перетворення. Ми можемо надати таблицю коефіцієнтів для вашого конкретного NTC.

З: Чи можу я використовувати ±5% NTC у модулі DWDM?

A: Це залежить від вашої процедури калібрування. Допуск ±5% опору в поєднанні з допуском ±1% B призводить до похибки температури понад ±1°C перед калібруванням. Якщо ваша виробнича лінія виконує одноразове калібрування за відомої температури, початкове зміщення можна видалити. Але допуск В все ще впливає на точність нахилу. Для DWDM ми рекомендуємо принаймні ±1% опору та ±0,5% значення B.

З: Чому самонагрівання має значення, якщо струм вимірювання становить лише кілька сотень мікроампер?

A: Навіть невеликі струми можуть нагріти термістор вище температури навколишнього середовища. Струм 100 мкА через NTC 10 кОм розсіює 0,1 мВт. При коефіцієнті дисипації 1,5 мВт/°C це спричиняє підвищення температури на 0,067°C. У жорстко контрольованому лазерному модулі це зміщення може бути значним. Схема вимірювання повинна використовувати найменший практичний струм.

З: Чи надаєте ви власні значення B або значення опору?

A: Так. Ми можемо налаштувати склад матеріалу, щоб досягти користувальницьких значень B у діапазоні від 3000 K до 4500 K, і ми можемо перевірити конкретні значення опору з жорсткими допусками. Застосовується мінімальна кількість замовлення.

З: Чи можна встановити NTC безпосередньо на лазерний чіп?

A: Зазвичай ні. NTC встановлюється на підкріплення або холодну сторону TEC, а не на фасеті лазера. Прямий контакт із лазерним чіпом може спричинити електричні проблеми або проблеми з теплом. Ми рекомендуємо встановлювати NTC якомога ближче до лазера, але електрично ізольовано.

Контактна та інженерна підтримка

Щоб отримати зразки або детальну рекомендацію, надайте наступне:

● Номер деталі контролера TEC або струм вимірювання

● Цільова температура лазера

● Необхідна точність температури

● Доступне місце для NTC

● Спосіб складання (склеювання дротом, пайка, епоксидна смола)

● Очікуваний річний обсяг

Ми відповідаємо протягом одного робочого дня та можемо надати зразки для оцінки.