TO封装25G传输激光器的散热特性与热沉结构研究

作     者：丁植 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨立峰;阳曦

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：半导体激光器 热特性 同轴封装 半导体制冷器 

摘      要：半导体激光器作为光电子领域的核心器件,因其体积小、电光转换效率高、波长可直接调谐等优点被广泛应用在光通信、工业、军事、医疗以及生物等领域。但是作为温度敏感元件,随着输出功率的提高,激光器产生的废热也在不断增加,从而导致有源区温度升高、波长漂移、输出功率降低等负面效应。因此,改善散热问题,研究半导体激光器的散热特性显得尤为重要。本文结合国内外研究进展,从半导体激光器的热特性理论出发,分析了温升对激光器的阈值电流、输出功率、斜率效率、波长和使用寿命的影响;同时介绍了激光器的几种基本的封装形式,分析了热沉结构内部固体传热机理,本文的主要工作包括:(1)基于热传导理论,建立热源模型,分析平行于腔长方向和垂直于腔长方向的温度分布情况,同时模拟不同温度环境对激光器芯片散热的影响,发现随着环境温度的升高,LD稳态后温度与环境温度的温差也就越大,即散热效果更差。(2)根据半导体制冷的原理公式,推导出最大温差下的最佳电流点以及制冷系数值,结合仿真模型,分析了两种不同半导体材料的制冷特性,在同一放热端温度下,对比Ph Te材料,BiTe的最大温控能提高5.03 K,斜率系数提升约1 K/W;对于同一半导体材料,随着放热端温度的升高,最佳电流点无明显变化,整体热阻会线性增加,优值系数会逐渐减小,制冷系数则会不断增大。(3)分析了典型同轴封装竖直式热沉结构的不足,提出了一种新型的平躺式热沉结构模型,对比了不同材料的初级热沉和次级热沉的散热效果差异,确定了初级热沉最佳的长度尺寸;模拟了在高低温环境下芯片稳态后的温度,经过温度控制,在高温下温漂为1.25℃,低温下温漂为0.5℃,对比不加半导体制冷器时高温漂移11.76℃,低温漂移7.66℃,散热效果显著改善。(4)制作了两种不同结构的实际样品,实测数据对比分析,在高温环境下,优化后的新型结构的平均波长漂移能控制在0.1523 nm,阈值电流降低约0.28 m A,输出波长的稳定性提升约24%。