半导体激光器及集成器件温度控制技术的研究

摘要

半导体激光器作为光源，是光纤通信的核心器件。随着信息传递容量不断提升，由半导体激光器等分立器件构成的光纤通信系统不仅器件数目多，体积大，而且在能耗、成本上都有很大压力。采用集成的方法可以减少系统封装的尺寸，降低单元间的耦合损耗，减少封装成本，获得更低的能耗。
　　光电子器件所使用的半导体材料中许多参数都是温度相关的，这导致光子集成器件对温度相当敏感。光子集成器件中不仅不同单元之间存在热串扰，工作状态的改变也会带来一定的热稳定时间。芯片的高集成度，往往带来高发热量，TEC（半导体致冷器）的功耗也会随之骤增。因此，对半导体激光器及其集成器件的热特性及温度控制技术进行研究具有重要意义。本论文的工作可以概括如下：
　　（1）利用有限元方法，对半导体激光器及其集成器件各单元进行建模，包括TEC，DFB（分布反馈）激光器，EAM（电吸收调制器），SOA（半导体光放大器），SG-DBR（采样光栅分布布拉格反射镜）激光器，并在兼顾精度的基础上对模型进行了简化，提高了仿真效率。
　　（2）在半导体激光器及其集成器件中，通常使用热时间常数来估算器件的温度控制时间。根据热时间常数，本文提出了一种直接获得PID（比例-积分-微分）控制参数的方法。另外，通过分析过渡热沉及热敏电阻，改变材料与几何参数，提出了改善热时间常数的手段。并以带有SOA的SG-DBR激光器为例，分析了光子集成器件在状态改变时各段的热切换时间。
　　（3）分析并对比了DFB激光器与DFB-EAM-SOA阵列器件的TEC功耗。提出了利用不同材料的过渡热沉和不同层级的TEC来降低其功耗的方法。不同的器件与模块的封装标准限制了TEC的尺寸。在比较不同尺寸TEC性能的基础上，我们给出了TEC选型的思路与建议。

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1 绪论

1.1 半导体激光器及其集成器件热特性的研究背景

1.2 国内外研究进展

1.3 本文研究的主要内容

2 半导体激光器及其集成器件中单元热模型的建立

2.1 封装结构的建模

2.2 TEC的热模型

2.3 DFB激光器芯片的热模型

2.4 DFB-EAM-SOA阵列芯片的热模型

2.5 SG-DBR-SOA集成器件芯片的热模型

2.6 本章小结

3 半导体激光器及其集成器件模块的温度控制

3.1 引言

3.2 DFB激光器温度控制的研究

3.3 SGDBR-SOA模块的动态温度控制

3.4 本章小结

4 半导体激光器及其集成器件的TEC功耗的研究

4.1 DFB激光器的TEC功耗的研究

4.2 DFB-EAM-SOA阵列的TEC功耗的研究

4.3 不同封装标准对TEC功耗的影响

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

附录一 攻读硕士学位期间发表论文目录

附录二 全文符号缩略表