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大功率半导体激光器阵列稳态和瞬态热行为

2013-02-19 08:43
华静一
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  大功率半导体激光器的应用日益广泛,随着激光器光功率的不断增加,其结温也在急速上升。激光器结温的升高不仅会导致寿命、斜率效率和功率下降,阈值电流增大,而且会引起波长漂移,光谱展宽等,因此开展半导体激光器热设计和热优化的研究显得越来越重要。用树枝模拟和实验相结合的方法对单巴条CS封装的60W,808nm半导体激光器连续工作是的稳态和瞬态热行为进行分析研究,定量确定了半导体激光器的温升及构成,以及器件的时间常数。此外,还对半导体激光器做了热优化,并在分析结果的指导下做出了各项性能指标均优良的半导体激光器光器件阵列器件。

  大功率半导体激光器可广泛应用于固体激光器抽运、材料加工、医疗及光信息处理等领域。随着激光器光功率的不断增加,产生的热量也在急速增长,致使激光器工作结温升高严重。对808nm半导体激光器而言,结温每升高1oC,波长增长0.28nm。结温的升高还会诱导有源区结构产生热应力,热应力不仅严重影响半导体激光器结构的可靠性,导致器件寿命呈指数形式下降,而且容易引起波长漂移和光谱展宽。此外,随着结温的升高,阈值电流呈指数形式增长,而斜率效率和功率呈指数形式下降。因此对其热行为进行研究,对于优化芯片的封装结构,提高半导体激光器的性能和稳定性有非常重要的意义。

  1、稳态热行为

  对808nm单色巴条CS封装的半导体激光器在60W连续波工作条件下进行热仿真,激光器的样品和器件结构如图1和图2所示。

  该半导体激光器采用传导制冷封装结构,利用直径为50μm的金丝键合连接;热沉底端使用半导体制冷器(TEC)散热,因此在模拟中可以认为热沉底部温度维持在25°C室温。

  1.1、数值分析

  稳态下量子阱层整体横向温度分布曲线如图3所示。量子阱温度基本呈抛物线形分布。在各发光点,温度会有一个突变,突变的峰值约为1--1.6°C,并且边缘发光点峰值比中心发光点的突变峰值小。这是由于中心位置发光点散热不畅产生的热量积累造成的。中心位置发光点与边缘发光点的温度相差约6.6°C.芯片内最高温度为51.9°C,经计算,该器件热阻为0.472K/W。

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