热沉尺寸对半导体激光器有源区温度的影响

半导体激光器随着输出功率的提高在各领域的应用日益广泛,但芯片温度升高引起的功率饱和问题仍然是目前研究的重点之一。利用ANSYS软件对工作波长为808nm的单芯片半导体激光器的芯片有源区温度与封装热沉尺寸的关系进行了稳态热分析,模拟得出不同热沉参数条件下封装激光器芯片有源区温度的变化曲线,并提出一种散热较好的结构方案。     

不同过渡热沉封装微盘腔半导体激光器热分析

为了降低微盘腔半导体激光器工作时有源区的温度,提升封装的可靠性,基于Ansys Workbench有限元分析分别对AlN,WCu10,SiC,石墨烯,以及CVD金刚石过渡热沉封装的蜗线型微盘腔半导体激光器进行了热特性分析,得到了器件工作时的温度分布以及热应力、热应变分布.结果显示,SiC封装器件的有源区温度较AlN和WCu10封装器件分别降低了 2.18,3.078 C,并在五种过渡热沉封装器件中表现出最低的热应力,器件热应变最小.SiC过渡热沉封装可以有效降低微盘腔半导体激光器工作时的有源区温度,同时减少封装应力与器件应变,从而提高器件的散热能力和可靠性.计算结果对半导体激光器单管散热及阵列集成散热均有指导意义.     

大功率半导体激光器阵列的封装技术

半导体激光器阵列的应用已基本覆盖了整个光电子领域，成为当今光电子科学的重要技术。本文介绍了半导体激光器阵列的发展及其应用。着重阐述了半导体激光器阵列的封装技术——热沉材料的选择及其结构优化、热沉与半导体激光器阵列之间的焊接技术、半导体激光器阵列的冷却技术、与光纤的耦合技术等。     

复合型微通道热沉设计与制作技术研究

从大功率半导体激光器可靠性封装和应用考虑,利用商用有限元软件Abaqus与CFdesign对微通道热沉材料、结构进行优化设计,结合相应的制造工艺流程制备实用化复合型微通道热沉。微通道热沉尺寸为27 mm×10.8 mm×1.5 mm,并利用大功率半导体激光阵列器件对所制备热沉进行散热能力、封装产生的"微笑效应"进行了测试,复合微通道热沉热阻约0.3 K/W,"微笑"值远小于无氧铜微通道封装线阵列,可以控制在1μm以下。复合型微通道热沉能满足半导体激光阵列器件高功率集成输出的散热需求与硬焊料封装的可靠性要求。     

金刚石复合热沉面发射激光器面阵热特性研究

通过设计基于金刚石微槽结构的复合热沉,利用不同材料的热导率差异改变热流传导方向,以优化垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)面阵由于温度分布不均匀导致的中心热量堆积的问题,从而改善激光器面阵整体的输出功率,提高可靠性。基于有限元分析法建立三维热电耦合模型,研究了VCSEL面阵单元排布方式对激光器热串扰效应的影响,同时还研究分析了金刚石复合热沉中微槽形状和位置的变化对半导体激光器内部温度的影响,设计最优结构对激光器的出光性能做进一步优化。采用金刚石复合热沉后的垂直腔面发射激光器面阵,与传统金刚石热沉的封装结构相比,激光器发光单元的温度差值降低了29%,为大面积半导体激光器面阵的输出功率优化提供了新思路。     

半导体激光器边缘绝热封装改善慢轴光束质量

为了削弱激光器工作时芯片横向温度不均而导致的热透镜效应对慢轴发散角的影响,提高慢轴的光束质量,引入了边缘绝热封装方式,即在激光器芯片两侧与过渡热沉之间加入空气隙,以降低两侧的传导散热。利用有限元分析软件ANSYS 18.0对该封装结构中激光器芯片的温度进行仿真。结果表明:当工作电流为1.6 A,芯片与热沉的接触宽为200μm时,慢轴发散角由普通封装时的11.5°减小至8.2°,降幅为28%,光束参数积和光束质量因子也分别降低了28%和24%,热阻增大了6%。边缘绝热封装对器件激射波长、阈值电流、电光转换效率的影响很小。     

半导体激光器模块散热特性影响因素分析

数值分析了大功率半导体激光器模块的散热特性及温度场,以及焊料、热沉、导热胶和冷水板温度等参数对芯片内部最高温度的影响.结果表明,焊料厚度小于24 μm时,其导热系数对芯片内部最高温度影响较弱,无高阻层形成;芯片内部最高温度随着热沉长或宽尺寸及导热系数的增大,呈指数形式下降,随着热沉厚度的增大呈对数形式升高;当导热胶导热系数大于20 W/(m·K)、厚度小于30μm时,芯片温度趋于稳定;冷水板温度与芯片内部最高温度呈比例系数为1的线性相关性.根据分析结果提出了激光器封装部件的尺寸、导热系数或材料的设计和选择原则.     

CVD金刚石热沉封装高功率半导体激光器的热特性

本文以自支撑CVD金刚石膜作为半导体激光器线阵的封装热沉,从而改进其热特性。首先,以电子辅助化学气相沉积(EACVD)制备自支撑金刚石膜。在沉积工艺中,提出了优化O_2流量刻蚀非金刚石相,使金刚石膜品质得到改进,从而提高其导热率。然后,测试了基于不同氧流量下制备金刚石热沉封装的半导体激光器线阵的电光特性,并对封装器件的热特性进行了分析。结果表明:通入O_2流量为每分钟5 sccm时,制备的金刚石热沉导热率可达1 812.3 WK^-1m^-1。O_2流量5 sccm制备金刚石热沉的封装器件的斜率效率为1.30 W/A,电光转换效率最大值可达60.6%。在连续波30 A时,该封装器件的光谱红移波长为2.02 nm,器件工作温度降低4.9 K。器件的传热路径热阻降低28.4%,表现出优异的可靠性。     

半导体激光器焊接的热分析

为了解决大功率半导体激光器的散热问题,利用有限元软件ANSYS,采用稳态热模拟方法,分析了半导体激光器内部的温度分布情况,对比分析了In、SnPb、AuSn几种不同焊料烧结激光器管芯对激光器热阻的影响。由模拟结果可见,焊料的厚度和热导率对激光器热阻影响很大,在保证浸润性和可靠性的前提下,应尽量减薄焊料厚度。另外,采用高导热率的热沉材料和减薄热沉厚度可有效降低激光器热阻。在这几种焊接方法中,采用In焊料Cu热沉焊接的激光器总热阻最小,是减小激光器热阻的最佳选择。通过光谱法测出了激光器热阻,验证了模拟结果,为优化激光器的封装设计提供了参考依据。     

高温高效率半导体激光器阵列封装结构研究

分析了热沉和陶瓷基板对背冷式封装结构半导体激光器阵列性能的影响.通过栅格化厚铜填充技术降低了复合金刚石热沉的等效电阻,并实现了热膨胀系数匹配;采用热沉和陶瓷基板嵌入焊接技术,提高了封装散热能力和稳定性.制作了间距为0.4 mm的5Bar条芯片阵列样品,在70℃热沉温度、200 A工作电流(占空比为1％)条件下进行性能测试,结果显示器件输出功率为1 065 W、电光转换效率为59.2％.在高温大电流条件下进行了 1 824 h寿命试验,器件表现出良好的可靠性.     

隧道再生大功率半导体激光器瞬态热特性研究

讨论了隧道再生大功率半导体激光器内部的热源分布，利用有限元方法模拟计算了其在脉冲工作下的二维瞬态热分布，同时测量了不同时刻波长的漂移量并换算为温升值，与计算结果进行了比较，二者基本吻合。模拟结果还表明靠近衬底的有源区温度略高于靠近热沉的有源区温度；用金刚石一铜热沉替换铜热沉，还可以很好地降低器件内部温升，使隧道再生大功率半导体激光器能够高效工作。     

半导体激光抽运源大通道水冷热沉的接口设计

针对普通大功率半导体激光抽运源用大通道水冷热沉热阻高、工作时热沉表面在大通道水流方向存在明显温升进而导致加载其上的激光bar寿命不一致以及抽运源整体光谱宽度难以控制的问题,利用商用有限元软件ANSYS仿真获得抽运源工作时不同冷却水流量条件下热沉内部温度场分布,分析该结构热沉热阻系统的构成及整体热阻瓶颈所在。实际中通过改变冷却水接口结构,获得“入口效应”,提高了大通道热沉整体换热性能,进一步减小热沉表面温度梯度。利用所设计的新接口大通道水冷热沉获得3 bar线阵120 W连续(CW)输出半导体激光器抽运源,输出中心波长为807.7 nm,光谱宽度(FWHM)为2.8 nm。     

连续工作的体布拉格光栅外腔半导体激光器的温度特性

对体布拉格光栅(VBG)作为波长选择元件的外腔半导体激光器的波长锁定进行了实验研究,报道了连续运转输出功率达43.5 W的半导体激光器阵列的体布拉格光栅波长锁定实验结果,给出了不同热沉温度下的稳定的波长锁定结果,说明采用体布拉格光栅外腔将减小半导体激光器的温控压力。实验中发现,随着注入电流的增大,输出激光功率逐渐增强,锁定的激射波长向长波长方向偏移。在输出功率为34.5 W时,波长红移约0.56 nm。这一移动与实验测量的体布拉格光栅的温度特性相吻合。连续和高占空比运行、高输出功率情况下,在器件的设计和使用时应该考虑这一效应。     

Modeling of TE cooling of pump lasers

The pump laser is a key module in optical amplifiers for long-haul fiber optic telecommunication systems. Its core component is a semiconductor laser diode mounted on a thermoelectric cooler. It is of crucial importance to maintain the laser diode temperature in a narrow range during operation in order to achieve satisfactory performance and reliability of the module. Therefore, a proper thermal management solution is very important to the pump module design. In this paper, a three-dimensional finite element analysis on thermoelectric cooling is presented. The modeling results show good agreement with the experimental results obtained by IR thermometry. When the heat source has a high power dissipation and a small footprint compared to the size of the heat sink, the spreading resistance becomes important. To analyze the maximum performance of the heat sink, both single and dual pump module configurations are considered.     

大气与真空下功率VDMOS散热特性研究

针对功率VDMOS真空下壳温显著升高的问题,对安装叉指形散热器的功率VDMOS进行了三维建模和温度场模拟分析,研究了其在大气与真空环境下的散热模型。真空环境下功率为10 W、散热片面积为278.42 cm2时,VDMOS壳温较大气下升高了89.8℃。找出了VDMOS大气及真空下壳温与工作功率及散热器表面积之间存在的关系,并进行了相应实验,利用公式计算出的器件壳温与实验壳温的最大差值,大气下不超过2℃、真空下不超过3℃,皆未超过5%,该公式可以作为功率VDMOS应用及热设计的参考依据。分析了真空环境下,功率VDMOS壳温显著升高的原因,并提出了改善措施。     

双有源区隧道再生半导体激光器温度场分布研究

针对隧道再生半导体激光器,建立了内部的热源分布模型,分析了三种封装方式对芯片内部温度分布的影响;模拟结果表明加电后几微秒的时间内,芯片内温度场分布主要由隧道再生结构的热特性决定,与封装形式关系不大;在几微秒到几十或一百毫秒的时间范围内,有源区的温度上升很快;几百毫秒以后,器件温度达到稳态,有源区的平衡温度主要决定于载体的散热特性.稳态时靠近衬底的有源区温度高于靠近热沉的有源区的温度,但两有源区的温差很小,芯片内最高温度出现在靠近衬底有源区的脊形中心.     

大功率LD封装技术的研究

提出一种新的LD列阵封装方法。把热沉形状改为台阶式，使稳态工作条件下的芯片前腔面散热速度提高，前后腔面温差大幅度降低，因此可以提高COD阈值，降低腔面退化率，且更方便于光纤耦合封装。利用Ansys软件对大功率LD稳态工作的温度分布进行模拟。结果发现：改进前的芯片前、后腔面温差为9．0K，改进后温差降为3．5K，降低了60%；热沉前、后端面的温差由原来的18．2K降为8．0K，降低了56％。