大功率半导体激光器阵列热特性分析

　　1 引言

　　大功率半导体激光器具有高转换效率、高可靠性及较长的使用寿命，在泵浦固体激光器、打印、材料加工、通信等方面都有着广泛的应用。但是，尽管半导体激光器具有较高的转换效率，还是有大部分的电功率被转化成了热，导致激光二极管工作结温升高。而温度升高必然带来半导体激光器阈值电流增加、发射波长红移，造成模式的不稳定，同时还增加了内部缺陷，对器件的寿命有严重影响［1］ 。因此，对半导体激光器热特性的研究具有重要意义。在对半导体激光器进行热分析和模拟方面，前人已做过大量工作。R Puchert等人［2］对大功率半导体激光器阵列在连续驱动条件下的瞬态温度分布进行了模拟和分析，还有很多国内外文献［3-4］ 对激光器单管的稳态和瞬态温度分布进行了模拟，但大部分文献都只涉及到横向和侧向的温度分布，对纵向温度分布的分析和模拟很少有人涉及。大功率半导体激光器具有很高的端面功率密度，纵向的温度分布影响谐振腔的工作状态并决定各项性能参数，对纵向温度的研究具有极其重要的意义。

　　为了解大功率半导体激光器的热特性，本文针对实际工作中涉及到的泵浦用808 nm半导体激光器一维线阵列进行了热场分析和模拟，并通过实际测量与模拟结果进行了对比，实测结果与模拟结果基本吻合。

　　2 模型建立

　　根据二极管激光器的驱动方式，可将其分为三类：连续运行激光器、准连续运行激光器和脉冲运行激光器。本文将建立横向、纵向二维温度模型，利用大型有限元商用软件ANSYS进行模拟，给出工作于准连续及连续状态下激光器阵列的稳态及瞬态温度分布。由于影响激光器阵列系统工作温度的因素很多，在模拟过程中，将其效果等效到阵列中每个发光单元的有源区，用热功率密度来表示。同时各个发光单元横向和纵向的温度分布趋势是相似的。在沿腔长方向，由于前腔面具有很高的透射率，后腔面具有很高的反射率，所以沿腔长方向的热功率密度并不是一致的。依据平面波在谐振腔中的传播理论及光增益和损耗的定义［5］并假设所有损耗全部转化为热，经过近似推导得出，沿腔长方向的热流密度满足函数关系

　　PF=PF0［egx+egl，r.eg（1-x）］

　　式中，PF为前腔面的热流密度， g为光增益系数，l为谐振腔腔长，R为腔面反射率。

　　图1给出沿腔长方向热流密度的分布趋势。从图中我们可以看出，前腔面温度明显高于其他位置。值得注意的是，腔面温度升高又会造成非辐射复合速率增大而漏电流增加，带隙收缩而光吸收增加，从而使温度升高更快。这些正反馈的存在会导致激光器前腔面的快速烧毁失效。

　　模拟过程中，认为材料的各个参数均各向同性，并且，由于阵列采用倒装的封装方式，认为热只通过p型层向下传至载体。器件工作过程中载体底部保持恒温288 K，与空气的对流系数为0.0025 W/cm2·K，环境温度为293K。

　　3 模拟结果

　　本文采用有限元方法对150/500版连续808 nm一维线阵列的稳态温度分布进行了模拟。

　　图2我们可以看出，载体温度的最高点出现在与芯片的连接处。图3为管芯内的温度分布，其横向被放大20倍以便观察。由图3我们可以看出，管芯内最高温度出现在有源区前腔面附近。图4给出了沿腔长方向有源区的温度分布曲线，从图中可看出其前腔面与后腔面有大约8 K的温差。分析其原因主要有两方面：一是沿腔长方向热流密度分布不均匀，如图1所示，从前腔面到后腔面热流密度按指数规律递减；二是在后腔面附近，载体起到了二维散热作用。通过图5所示的热流矢量图我们可以清楚地看到，在后腔面附近，热流向两个方向侧向和下方同时传递。

　　同时，我们也对90/130版准连续808 nm一维线阵列的瞬态温度分布进行了模拟，瞬态模型与稳态模型一致，参考温度等于环境的等于293 K。图6给出了不同占空比驱动条件下激光器芯片中最高温度随时间的变化情况。从图中可以看出，有源区的温度变化和所加脉冲的占空比有密切关系。占空比较低时，如0.2%，一个脉冲内上升的温度低，约为3 K；在弛豫过程，弛豫所需时间短，大约几个微秒。占空比高时，如40%，上升过程中，一个脉冲内上升的温度比低占空比时高很多，约为12 K；在弛豫过程，高占空比情况下弛豫的时间较长，在几百微秒至几毫秒的量级内。根据传热理论，热传导的速度与热积累成正比，可以想象，激光器在脉冲工作方式下，由于升温过程和热弛豫过程的交替进行，最终会达到一个动态平衡，有源区保持准恒定的温度。激光器在低占空比条件下，升温过程稳定温度不高，且热弛豫过程完全，不会造成有源区的热积累，达到的最终准恒定的平衡温度较低；而高占空比条件下，脉冲结束时，稳定温度高，而热弛豫过程又不完全，必然造成有源区的热积累，使最终的平衡温度高。如图6所示，占空比为0.2%和2%时，没有热积累；而当占空比为20%时，已有热积累产生，当占空比增大到40%时，热积累也随之增多。所以高占空比和连续工作状态时更需要很好的散热装置。

　　4 测量结果

　　为检验模拟结果，我们采用纵模光谱法测量 800 nm 100/130版一维线阵列的热阻。纵模光谱法依据的基本原理是半导体激光器的纵模波长会随温度移动，产生发光波长随温度红移的现象。利用这一方法，我们在短脉冲下改变壳温，并测量相应的波长移动，从而获得波长移动与温度之间的校准曲线，推测出波长随温度的变化率。对于我们所测量的800 nm激光器阵列，该变化率测得为0.3 nm/K。在此基础上，增加工作电流的占空比，并测出不同占空比下的波长，即可由波长-热功率曲线得出λ/p，进而由λ/p = 0.3nm /K计算得到相应的热阻。图7为通过实验测得的波长随热功率变化的曲线，通过线性拟和得到λ/p =0.377，所以通过实验测得的热阻为1.25 K/W。而我们通过模拟得到的100/130版的热阻为0.81K/W，比实验值偏小，分析其原因主要有以下两方面：⑴我们在模拟过程中假设焊料层光滑平整且上下表面完全接触，但在实际器件中，焊料层中会出现缺陷且实际接触面积并不是100%，这些都会导致热阻增大。⑵在模拟过程中我们取载体铜的热导率为4 W/cm·K，而实际载体的热导率偏小，这也会导致热阻偏大。

　　5 结论

　　对半导体激光器的热特性进行模拟分析可以帮助我们对其设计和工艺进行改进。本文利用ANSYS软件对大功率激光器阵列的稳态及瞬态温度分布进行了模拟，并通过测量热阻的试验对模型进行了检验。试验结果略高于模拟值，通过分析原因，我们认为这个结果是完全合理的。