半导体激光器线阵的瞬态热特性研究

　　0　引言

　　半导体激光器是一种高效率的电子-光子转换器件,在光纤通信、微加工、信息处理等诸多领域有着广泛的应用[1-2]。延长半导体激光器的使用寿命,提高半导体激光器的可靠性,增大半导体激光器的输出功率一直是人们在半导体激光器研究中不懈的努力和追求的目标。但由于单管的有源区体积小,输出功率受限于腔面灾变性失效,一般单个的p-n结半导体激光器的输出能量是几、几十或几百毫瓦量级,最好的也不过几瓦。从20世纪80年代开始,人们对二极管激光阵列展开了研究,希望通过线阵或面阵化技术来克服单管激光器功率不足的问题[3-4]。在光输出功率不断提高的同时,由于热源的增加和发光单元之间的热相互作用,与单元器件相比,半导体激光器阵列的热积累不断加剧,列阵器件中的热对器件性能的影响显得更加复杂[5]。因此,本文针对具有不同填充因子的半导体激光器线阵的瞬态热特性进行了分析。

　　1　热源模型

　　半导体激光器线阵列加电后,满足瞬态热传导微分方程:

　　其中,ρ为材料密度, c为材料比热, t为时间,kx和ky分别为x和y方向的热传导系数, Q为各层中的热源。图1为半导体激光器bar的结构示意图。x轴为垂直于结的方向,沿x轴方向热源的分布形式与单管相同,热源公式参见文献[6]。y轴为平行于结的方向,沿y轴方向,由于多个激射单元的存在,热源是按照电流注入区域和非注入区域沿y轴周期性分布的。依据对称性,为了减小计算量,选取模型的右半部分进行计算。计算中选取的边界条件为:

　　(1)忽略热沉与空气的热辐射作用,考虑在自然对流下的热交换,热传导热沉[8]封装时,将热沉放置在一个制冷器上,制冷器温度稳定在环境温度TA=300 K,即:

　　微通道热沉[7]封装时,由于微通道热沉的表面积通常情况较小,忽略热沉表面在自然对流下的热交换,假设微通道中的水流可以将热量全部带走,即微通道上方温度保持在水流温度,这里我们选取水流温度为环境温度TA=300 K,即:

Wys为热沉宽度,对于热传导热沉,Wxs为热沉厚度,对于微通道热沉,Wxs为微通道上方的热沉厚度,h为自然对流系数,计算中选取h为10 W/(m2·K)。

　　(2)管芯与周围空气的热对流与热辐射作用交换的能量非常微弱,可以忽略不计,即:

Wxc为芯片厚度,Wyc为芯片宽度。

　　(3)每层之间满足温度与热流连续分布,即:

　　(4)在初始条件下,整个管芯与热沉的温度为环境温度TA,计算时选取TA=300 K,即:

　　2　计算与分析

　　采用上述模型,利用有限元方法,模拟计算了半导体激光器线阵,在平板热传导热沉(CS)和微通道热沉(MS)两种封装方式下的二维温度场分布。计算时选取bar条宽Wyc为1 cm,每个发光单元的电极条宽为100μm,激射单元之间的隔离槽宽度为20μm,有源区采用本征的AlxGa1-xAs/GaAs/InGaAs应变量子阱结构,厚度为242 nm (渐变层AlxGa1-xAs:100 nm,垒层GaAs:17 nm,量子阱层In0.2Ga0.8As:8 nm,垒层GaAs: 17 nm;渐变层AlxGa1-xAs:100 nm),有源区两侧Al0.32GaAs限制层厚度为1.5μm,器件的最顶层是50 nm和100 nm的p型C掺杂GaAs盖层,整个芯片厚度Wxc减薄到100μm,p面向下烧结在热沉上,铟焊料的厚度为10μm。热源计算选取参数参见文献[6]。