垂直外腔面发射半导体激光器中热分布的数值分析

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1、垂直外腔面发射半导体激光器中热分布的数值分析物理与电子工程学院物理学(师范)专业丁然指导教师张鹏摘要：本文通过对垂直外腔面发射激光器的结构进行分析与合理的简化，建立了垂直外腔面发射半导体激光器中热传导方程，利用matlab可以清晰地描绘出VECSEL中温度场的分布。根据VECSEL中热量的温度场的分布，选择合理的衬底和热沉材料，有利于解决激光器的散热，降低激光器的工作温度等问题，对于提高激光器的工作特性和延长使用寿命有着很大的帮助，同时为寻求更合适的热管理方法提供理论参考依据。关键词：VECSEL；热传导方程；matlab；温度场A

2、bstract：ThispaperbasedonstructureoftheVerticalExternalCavitySurfaceEmissionLaseranalysisandreasonablesimplificated,etablishingaheatconductionequationoftheverticalexternalcavitysurfaceemittinglasers,usingmatlabcanclearlydepictthetemperaturedistributionaboutVECSEL.Accord

3、ingtotemperaturedistributionoftheVECSEL.choosingtherightsubstrateandheatsinkmaterial,conducivetoresolvingthelasercoolingandreducethelaser'soperatingtemperatureandotherissues,workforimprovingthelasercharacteristicsandextendthelifeofgreathelp,atthesametime,tosearchformor

4、esuitablemethodsofthermalmanagementtoprovideatheoreticalreference.Keywords：VECSEL;heatconductionequation;matlab;temperaturedistribution1课题研究的背景及意义近年来，随着集成电路和光纤通讯的发展，对频率为GHz以上光时钟光源的需求日益迫切。固体激光器体积庞大，造价高昂，而半导体激光器光束质量一般较差，应运而生了垂直外腔面发射激光器（VerticalExternalCavitySurfaceEmissi

5、on第11页(共11页)Laser，VECSEL）。现在，VECSEL因为有体积小，光束质量好，功率较大，频率较高，易于倍频和锁模并且制作相对简单等优点，已经在光时钟、显微分析、三元色显示等方面表现出良好的应用前景[1]。虽然垂直外腔面发射激光器是一种高效率的电光转换器[1]，但由于存在不可避免的非辐射复合、自由载流子吸收等损耗，使其外微分量子效率一般只能达到50%左右，这表明有相当部分的电能要转化成热量，引起激光器温升。而温度的升高会造成激光器闭值电流增加、发射波长红移以及模式不稳等现象，激光器的输出功率也受工作温度的影响。随着有

6、源区温度的升高，激光器的平均和最大输出功率都会减少；由于温度的影响，各层材料之间热膨胀系数的差别会在内部产生应力，各材料之间扩散加剧，使器件退化，缩短激光器的使用寿命[2]。垂直外腔面发射激光器能否在室温下连续工作，也主要是器件的温升问题。因此要求尽量减少发热和有效散热。然而，热沉的制作是VECSEL制作过程中的难点，也是VECSEL向更大的输出功率发展的瓶颈。一般采取将GaAs或InP衬底减薄到100μm左右，再用铟焊在紫铜或无氧铜上。也有将热沉材料改为SiC或金刚石，散热性能更好，但也较贵[3]。对VECSEL中热分布的数值分析

7、可以清晰地描绘出VECSEL中热量的流向及温度场的分布，为寻求更合适的热管理方法提供理论依据。2垂直外腔面发射半导体激光器简介（结构与工作原理）垂直外腔面发射半导体激光器[1]，利用半导体片作为增益介质，其中的有源区为量子阱，量子阱激光器具有阀值低，量子效率高，温度特性好，谱线宽度窄，可以做成多层薄膜结构，易于集成等优点。第11页(共11页)图2-1VECSEL工作原理简图对于量子阱的发光机理，结合图2-1可得出：最底层是热沉，对于1微米附近的波长一般采用GaAs衬底，衬底上面是分布式布拉格反射镜（DBR），反射镜上面是量子阱（QW

8、s）有源区，量子阱上面为高禁带宽度的阻挡层，阻挡载流子的溢出；量子阱在有源区中周期分布在腔内驻波的波腹上，其厚度一般小于1纳米，相对波长来说非常小，当泵浦光打到有源区，如上图所示，量子阱和势垒都会受激产生载流子，其中厚度较大的势垒占主