可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器及其集成模塊的熱效應(yīng)研究.pdf

1、波長(zhǎng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器是波分復(fù)用(WDM)光通信網(wǎng)絡(luò)和下一代動(dòng)態(tài)光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵器件,在光纖傳感中也有重要應(yīng)用。目前,基于各種光柵結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的各項(xiàng)性能指標(biāo),如波長(zhǎng)調(diào)諧范圍、波長(zhǎng)切換速度、邊模抑制比等已基本可以滿足光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的要求。然而,和其它基于半導(dǎo)體材料的光電子器件一樣,可調(diào)諧激光器也是對(duì)溫度很敏感的器件,激光器在工作時(shí),外部和內(nèi)部因素產(chǎn)生的熱效應(yīng)及其引起的激光器溫度變化會(huì)對(duì)器件的性能和應(yīng)用產(chǎn)生較大影響。本論文建立了一套用

2、于研究可調(diào)諧激光器及其集成模塊的熱效應(yīng)的理論模型,然后運(yùn)用理論模型系統(tǒng)地研究了激光器及其模塊內(nèi)的熱效應(yīng),包括:激光器工作時(shí)的溫度分布、激光器調(diào)諧過程中的動(dòng)態(tài)溫度變化和波長(zhǎng)熱漂移、集成了溫度控制器的激光器模塊的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)熱學(xué)特性。最后我們對(duì)熱效應(yīng)對(duì)器件應(yīng)用的影響和相應(yīng)的解決方法進(jìn)行了研究。具體內(nèi)容如下:
　　(1)對(duì)可調(diào)諧激光器內(nèi)部的生熱機(jī)理進(jìn)行了深入研究,然后運(yùn)用有限元方法(FEM)建立了取樣光柵分布布拉格反射器(SG-DBR)型

3、激光器的三維熱學(xué)模型,運(yùn)用模型計(jì)算并分析了激光器的溫度分布和對(duì)調(diào)諧電流進(jìn)行切換時(shí)激光器內(nèi)的動(dòng)態(tài)溫度變化。
　　(2)分析并總結(jié)了溫度對(duì)激光器中相關(guān)物理參數(shù)的影響,然后運(yùn)用動(dòng)態(tài)傳輸矩陣方法(DTMM)建立了考慮溫度參量的SG-DBR激光器的光學(xué)模型,該模型可用于分析溫度變化對(duì)激光器性能參數(shù)和動(dòng)態(tài)特性的影響。
　　(3)將上述兩種方法相結(jié)合,計(jì)算了SG-DBR激光器在對(duì)調(diào)諧電流進(jìn)行切換時(shí)的波長(zhǎng)變化過程和動(dòng)態(tài)熱效應(yīng)引起的波長(zhǎng)漂移,

4、討論了激光器波長(zhǎng)熱漂移對(duì)動(dòng)態(tài)光網(wǎng)絡(luò)的影響。然后在此基礎(chǔ)上對(duì)SG-DBR激光器在波長(zhǎng)切換過程中的熱漂移的補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了研究,設(shè)計(jì)了利用相位段電流補(bǔ)償SG-DBR激光器波長(zhǎng)熱漂移的具體方案,并對(duì)補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果進(jìn)行了計(jì)算和分析,證明了補(bǔ)償技術(shù)的有效性。
　　(4)運(yùn)用有限元建模研究了激光器溫度控制器的工作特性,然后在此基礎(chǔ)上建立了集成比例-積分-微分(PID)溫度控制器的SG-DBR激光器模塊的三維動(dòng)態(tài)熱學(xué)模型,運(yùn)用該模型研究了SG-DBR

5、激光器在調(diào)諧過程中PID溫度控制器的動(dòng)態(tài)工作過程和激光器模塊內(nèi)的動(dòng)態(tài)溫度變化(考慮了溫度控制器的影響),最后計(jì)算并分析了溫度控制器參數(shù)對(duì)激光器調(diào)諧過程中的動(dòng)態(tài)溫度變化和波長(zhǎng)熱漂移的影響。
　　(5)運(yùn)用集成溫度控制器的分布反饋(DFB)激光器模塊的靜態(tài)熱學(xué)模型,詳細(xì)地研究了當(dāng)溫度控制器正常工作時(shí),不同條件下激光器模塊的內(nèi)部穩(wěn)態(tài)溫度和溫度控制器的工作特性,如:激光器結(jié)區(qū)溫度的控制效果、溫度控制器在各種情況下的功耗。
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6、對(duì)無致冷單模激光器波長(zhǎng)隨環(huán)境溫度變化的補(bǔ)償方法進(jìn)行了研究。提出了一種利用熱敏電阻和可調(diào)諧激光器構(gòu)成電路來補(bǔ)償無致冷激光器波長(zhǎng)隨環(huán)境溫度變化的方法,設(shè)計(jì)了具體方案,并對(duì)補(bǔ)償結(jié)果進(jìn)行了分析,證明了方案的有效性。另外,設(shè)計(jì)了一種利用熱應(yīng)力來補(bǔ)償無致冷單模激光器波長(zhǎng)隨環(huán)境溫度變化的裝置,然后運(yùn)用有限元熱–結(jié)構(gòu)耦合分析對(duì)裝置中的熱應(yīng)力進(jìn)行了建模計(jì)算,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了合理的參數(shù)設(shè)計(jì),最后通過對(duì)補(bǔ)償結(jié)果進(jìn)行計(jì)算證明了該裝置的有效性。
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