大功率半導(dǎo)體激光器陣列熱特性分析

　　1 引言

　　大功率半導(dǎo)體激光器具有高轉(zhuǎn)換效率、高可靠性及較長的使用壽命，在泵浦固體激光器、打印、材料加工、通信等方面都有著廣泛的應(yīng)用。但是，盡管半導(dǎo)體激光器具有較高的轉(zhuǎn)換效率，還是有大部分的電功率被轉(zhuǎn)化成了熱，導(dǎo)致激光二極管工作結(jié)溫升高。而溫度升高必然帶來半導(dǎo)體激光器閾值電流增加、發(fā)射波長紅移，造成模式的不穩(wěn)定，同時(shí)還增加了內(nèi)部缺陷，對(duì)器件的壽命有嚴(yán)重影響［1］ 。因此，對(duì)半導(dǎo)體激光器熱特性的研究具有重要意義。在對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行熱分析和模擬方面，前人已做過大量工作。R Puchert等人［2］對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器陣列在連續(xù)驅(qū)動(dòng)條件下的瞬態(tài)溫度分布進(jìn)行了模擬和分析，還有很多國內(nèi)外文獻(xiàn)［3-4］ 對(duì)激光器單管的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)溫度分布進(jìn)行了模擬，但大部分文獻(xiàn)都只涉及到橫向和側(cè)向的溫度分布，對(duì)縱向溫度分布的分析和模擬很少有人涉及。大功率半導(dǎo)體激光器具有很高的端面功率密度，縱向的溫度分布影響諧振腔的工作狀態(tài)并決定各項(xiàng)性能參數(shù)，對(duì)縱向溫度的研究具有極其重要的意義。

　　為了解大功率半導(dǎo)體激光器的熱特性，本文針對(duì)實(shí)際工作中涉及到的泵浦用808 nm半導(dǎo)體激光器一維線陣列進(jìn)行了熱場分析和模擬，并通過實(shí)際測量與模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，實(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合。

　　2 模型建立

　　根據(jù)二極管激光器的驅(qū)動(dòng)方式，可將其分為三類：連續(xù)運(yùn)行激光器、準(zhǔn)連續(xù)運(yùn)行激光器和脈沖運(yùn)行激光器。本文將建立橫向、縱向二維溫度模型，利用大型有限元商用軟件ANSYS進(jìn)行模擬，給出工作于準(zhǔn)連續(xù)及連續(xù)狀態(tài)下激光器陣列的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)溫度分布。由于影響激光器陣列系統(tǒng)工作溫度的因素很多，在模擬過程中，將其效果等效到陣列中每個(gè)發(fā)光單元的有源區(qū)，用熱功率密度來表示。同時(shí)各個(gè)發(fā)光單元橫向和縱向的溫度分布趨勢是相似的。在沿腔長方向，由于前腔面具有很高的透射率，后腔面具有很高的反射率，所以沿腔長方向的熱功率密度并不是一致的。依據(jù)平面波在諧振腔中的傳播理論及光增益和損耗的定義［5］并假設(shè)所有損耗全部轉(zhuǎn)化為熱，經(jīng)過近似推導(dǎo)得出，沿腔長方向的熱流密度滿足函數(shù)關(guān)系

　　PF=PF0［egx+egl，r.eg（1-x）］

　　式中，PF為前腔面的熱流密度， g為光增益系數(shù)，l為諧振腔腔長，R為腔面反射率。

　　圖1給出沿腔長方向熱流密度的分布趨勢。從圖中我們可以看出，前腔面溫度明顯高于其他位置。值得注意的是，腔面溫度升高又會(huì)造成非輻射復(fù)合速率增大而漏電流增加，帶隙收縮而光吸收增加，從而使溫度升高更快。這些正反饋的存在會(huì)導(dǎo)致激光器前腔面的快速燒毀失效。

　　模擬過程中，認(rèn)為材料的各個(gè)參數(shù)均各向同性，并且，由于陣列采用倒裝的封裝方式，認(rèn)為熱只通過p型層向下傳至載體。器件工作過程中載體底部保持恒溫288 K，與空氣的對(duì)流系數(shù)為0.0025 W/cm2·K，環(huán)境溫度為293K。

　　3 模擬結(jié)果

　　本文采用有限元方法對(duì)150/500版連續(xù)808 nm一維線陣列的穩(wěn)態(tài)溫度分布進(jìn)行了模擬。

　　圖2我們可以看出，載體溫度的最高點(diǎn)出現(xiàn)在與芯片的連接處。圖3為管芯內(nèi)的溫度分布，其橫向被放大20倍以便觀察。由圖3我們可以看出，管芯內(nèi)最高溫度出現(xiàn)在有源區(qū)前腔面附近。圖4給出了沿腔長方向有源區(qū)的溫度分布曲線，從圖中可看出其前腔面與后腔面有大約8 K的溫差。分析其原因主要有兩方面：一是沿腔長方向熱流密度分布不均勻，如圖1所示，從前腔面到后腔面熱流密度按指數(shù)規(guī)律遞減；二是在后腔面附近，載體起到了二維散熱作用。通過圖5所示的熱流矢量圖我們可以清楚地看到，在后腔面附近，熱流向兩個(gè)方向側(cè)向和下方同時(shí)傳遞。

　　同時(shí)，我們也對(duì)90/130版準(zhǔn)連續(xù)808 nm一維線陣列的瞬態(tài)溫度分布進(jìn)行了模擬，瞬態(tài)模型與穩(wěn)態(tài)模型一致，參考溫度等于環(huán)境的等于293 K。圖6給出了不同占空比驅(qū)動(dòng)條件下激光器芯片中最高溫度隨時(shí)間的變化情況。從圖中可以看出，有源區(qū)的溫度變化和所加脈沖的占空比有密切關(guān)系。占空比較低時(shí)，如0.2%，一個(gè)脈沖內(nèi)上升的溫度低，約為3 K；在弛豫過程，弛豫所需時(shí)間短，大約幾個(gè)微秒。占空比高時(shí)，如40%，上升過程中，一個(gè)脈沖內(nèi)上升的溫度比低占空比時(shí)高很多，約為12 K；在弛豫過程，高占空比情況下弛豫的時(shí)間較長，在幾百微秒至幾毫秒的量級(jí)內(nèi)。根據(jù)傳熱理論，熱傳導(dǎo)的速度與熱積累成正比，可以想象，激光器在脈沖工作方式下，由于升溫過程和熱弛豫過程的交替進(jìn)行，最終會(huì)達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，有源區(qū)保持準(zhǔn)恒定的溫度。激光器在低占空比條件下，升溫過程穩(wěn)定溫度不高，且熱弛豫過程完全，不會(huì)造成有源區(qū)的熱積累，達(dá)到的最終準(zhǔn)恒定的平衡溫度較低；而高占空比條件下，脈沖結(jié)束時(shí)，穩(wěn)定溫度高，而熱弛豫過程又不完全，必然造成有源區(qū)的熱積累，使最終的平衡溫度高。如圖6所示，占空比為0.2%和2%時(shí)，沒有熱積累；而當(dāng)占空比為20%時(shí)，已有熱積累產(chǎn)生，當(dāng)占空比增大到40%時(shí)，熱積累也隨之增多。所以高占空比和連續(xù)工作狀態(tài)時(shí)更需要很好的散熱裝置。

　　4 測量結(jié)果

　　為檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果，我們采用縱模光譜法測量 800 nm 100/130版一維線陣列的熱阻?？v模光譜法依據(jù)的基本原理是半導(dǎo)體激光器的縱模波長會(huì)隨溫度移動(dòng)，產(chǎn)生發(fā)光波長隨溫度紅移的現(xiàn)象。利用這一方法，我們?cè)诙堂}沖下改變殼溫，并測量相應(yīng)的波長移動(dòng)，從而獲得波長移動(dòng)與溫度之間的校準(zhǔn)曲線，推測出波長隨溫度的變化率。對(duì)于我們所測量的800 nm激光器陣列，該變化率測得為0.3 nm/K。在此基礎(chǔ)上，增加工作電流的占空比，并測出不同占空比下的波長，即可由波長-熱功率曲線得出λ/p，進(jìn)而由λ/p = 0.3nm /K計(jì)算得到相應(yīng)的熱阻。圖7為通過實(shí)驗(yàn)測得的波長隨熱功率變化的曲線，通過線性擬和得到λ/p =0.377，所以通過實(shí)驗(yàn)測得的熱阻為1.25 K/W。而我們通過模擬得到的100/130版的熱阻為0.81K/W，比實(shí)驗(yàn)值偏小，分析其原因主要有以下兩方面：⑴我們?cè)谀M過程中假設(shè)焊料層光滑平整且上下表面完全接觸，但在實(shí)際器件中，焊料層中會(huì)出現(xiàn)缺陷且實(shí)際接觸面積并不是100%，這些都會(huì)導(dǎo)致熱阻增大。⑵在模擬過程中我們?nèi)≥d體銅的熱導(dǎo)率為4 W/cm·K，而實(shí)際載體的熱導(dǎo)率偏小，這也會(huì)導(dǎo)致熱阻偏大。

　　5 結(jié)論

　　對(duì)半導(dǎo)體激光器的熱特性進(jìn)行模擬分析可以幫助我們對(duì)其設(shè)計(jì)和工藝進(jìn)行改進(jìn)。本文利用ANSYS軟件對(duì)大功率激光器陣列的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)溫度分布進(jìn)行了模擬，并通過測量熱阻的試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行了檢驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果略高于模擬值，通過分析原因，我們認(rèn)為這個(gè)結(jié)果是完全合理的。