半导体激光器热特性

0.25
0.20 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
Thickness of submount (mm)
普通微通道热沉
计算结果
1mm腔长bar，80W连续工作，电光转换效率60%， 微通道壁和微通道宽度均为200um时的温度分布。热 阻为0.29K/W.
Intensity (A.U.) E fficiency (A .U .)
热阻与热沉长、(1) 宽的关系 热阻与热沉(2)厚度与长度的关系
半导体制冷
半导体致冷也叫温差电致冷是利用半导体材料的 温差电效应——即珀尔帖效应来实现致冷。把不 同极性的两种半导体材料（P型、N型），联成电 偶对，电流由N型元件流向P型元件时便吸收热量， 这个端面为冷面，电流由P型元件流向N型元件时 便放出热量，这个端面为热面。
• 体积小重量轻，具有致冷和加热两种功能：改变 直流电源的极性，同一致冷器可实现加热和致冷 两种功能。
无源热沉的热结构
普通水冷热沉
普通水冷热沉
牛顿冷却公式（对流散热）
q=hΔt
h: 表面传热系数
计算结果
Thermal resistance (K/W)
0.45
0.40
0.35
0.30
0.25
0.20
成导热微分方程，然后利用数学物理方 法解之，得到温度场函数。 适用领域：
整体结构简单、理想化的情况。
求解方法—数值解法
数值解法： 利用有限个离散点值的集合表征物理场 （量）的连续变化情况。
适用领域： 外形结构比较复杂、很难获得解析解的情 况下。
热阻概念的引入
热量的传递同自然界中的其它转移过程， 如电量的转移、质量的转移有着共同的规 律，可归结为： 过程中的转移量 = 过程中的动力/过程中 的阻力
电学中这种规律性就是欧姆定律：I U R
传热学中此规律演变为：
t R
半导体激光器的热阻
t R
Φ为有源区产生的热量： Φ=IV-Popt △t 是有源区与冷却介质之间的温度差 Ｒ为有源区与冷却介质之间的热阻，单位Ｋ／Ｗ
降低有源区到冷却介质之间的热阻是 半导体激光热控制的核心。
半导体激光单元器件
z
(z=0)
(x=0,x=a)
H
(
)
1 0
0 0
计算结果
利用傅立叶变换法求解以上方程组得到温度场t（x,y,z）：
t(x, y, z) T (z) R( y, z) J (x, z) I (x, y, z)
qdg qdgc
T(z)
z
ab
ab
2
qdbsin
mg
e
2
m b
c
m z
依靠自然对流散热，热阻较高， 热阻约为５Ｋ／Ｗ左右
阵列器件热沉的分类
无源热沉（passive heatsinks) ：
有源热沉（active heatsinks)：
无源热沉的热结构
2t 0
t 0 (y=0,y=b); t=0 (z=c)
y
t 0
x
t q[H (e y)H (d x)]
R(y z)
b
e b
2mc
2qdbsin mg b
e
m b
z
cos
m
y
2mc
b
m 1
am22 1 e
b
am22 1 e
b
I(x y z)
Ae
n
2
m
2
z
a b Be
n a
2
m b
2 z
cos
nx
cos
my
a b
n1 m1
2
qgasin
nd
e
2
n a
c
n z
J(x z)
a
e a
2nc
2qgasin nd a
e
n a
z
cos
n
x
2nc
a
n 1
bn22 1 e
a
bn22
1
e
a
计算结果
I
t
t
热沉尺寸：
25 257.5mm3 热流密度： 4 106W/m2 λ=398W/m﹒K
傅立叶定律（热传导） q= -λ(dt/dx)
λ：热导率
牛顿冷却公式（对流散热）
q=hΔt
h: 表面传热系数
斯泰藩-波尔兹曼定律（热辐射） q=ξA（T1- T2）
固体中的热传导
核心：目标物体温度场函数t（x.y.z)的 确定。
稳态无内热源情况下的Laplace方程
求解方法—解析函数法
解析函数法： 利用合理的数学语言把实际工况变换
上次课内容
半导体激光阵列封装的难点； 半导体激光阵列的封装材料配合； 半导体激光器的几种工作状态。
半导体激光器的热特性
阈值电流随有源区温度的指数增长； 电光转换效率随有源区温度的指数下降； 有源区温度增加器件寿命下降； 腔面温度升高非辐射复合导致ＣＯＤ问题。
有源区温度控制大功率半导体激光器 应用的核心问题。
半导体激光器的散热
热相关基础知识 单元器件的散热结构 阵列器件的散热结构
热量传递的基本方式
导热：物体各部分之间不发生相对位移 时依靠微观粒子热运动而产生的 热量传递。
对流：由于流体之间相对位移、冷热流 体相互掺混引起的热量传递。
热辐射：通过电磁波来传递能量的方式 称为辐射
几个基本公式
1.2
1.0
10
20
30
40
50
60
Current (A)
t Rth
热阻0.34K/W
计算结果与实验结果差异分析
Bar自身结构热阻； 焊接界面热阻； 微通道制备结构与理想结构差异。
0.25
0.20
0.15 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
Thickness of submount (mm)
0.0 0.50
Thickness of insulator (mm)
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0.45
g=0.4mm
0.40
Submount Insulator
0.35
0.30 a=1.4mm
0.15 1
2 3 4 5 6 7 8 9 10
Volumetric flow rate (L/min)
基于普通水冷热沉的亚封装模块
Thermal resistance (K/W)
Thermal resistance (W/K)
0.55
0.50
g=0.4mm
0.45
g=0.1mm
0.40
0.35
0.30
Laser power (W) Voltage (V)
热阻的实验测试
1.0
0.8
15A
55A
0.6
55A (after 30')
0.4
0.2
0.0
780
790
800
810
820
Wavelength (nm)
0.5
50
0.4
40
0.3
30
0.2
20
0.1
10
0.0
0
02.42.2来自2.01.81.6
1.4