CN105024276B - 一种基于tec温控的半导体激光器的温度仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种基于TEC温控的半导体激光器的温度仿真方法，采用热分析软件ANSYS对半导体激光器进行温度场的仿真，通过动态控制TEC的加热或制冷状态实现对TO‑CAN封装TOSA的恒温控制，模拟出半导体激光器在实际工作状态下的热学特性。本发明采用CAD建模软件SolidWorks建立了能够全面真实的反映TOSA热学特性的3D模型；采用有限元热分析软件ANSYS进行温度场仿真，并通过仿真算法动态实现了TEC的控制，加快了仿真进度，同时提高了仿真精确度。本发明设计的仿真算法在外界温度‑20℃至60℃范围内均能仿真出精确的温度结果，对实际生产过程中评估半导体激光器的封装和内部优化有指导意义。

Description

一种基于TEC温控的半导体激光器的温度仿真方法

技术领域

本发明涉及一种基于TEC温控的半导体激光器的温度仿真方法，属于光通信的技术领域。

背景技术

随着光纤通信技术的发展，各种光通信器件已经进入实用化阶段，并朝小型化和高度集成化发展。TO-CAN封装半导体激光器作为光纤通信的主要光源，因其体积小、质量轻、功耗低、易于调制及使用方便等优点，适合于光纤通信、生物医疗、军事等多个领域。半导体激光器是热敏感器件，工作性能受温度影响很大，如果不进行温度控制会造成热量积累和温度升高，进而影响其输出光的功率和波长。激光器的温控技术对稳定光发射模块(TOSA)的波长和功率至关主要，传统TO-CAN封装中的热沉散热已不能满足WDM/DWDM的要求。随着半导体技术的发展，半导体热电制冷器(TEC)以其体积小、重量轻，通过改变电流方向即可制冷或加热、温度控制精密、制冷速度快和产生的温差大等优点成为主动制冷技术的理想器件。如何高效利用热电制冷技术对半导体激光器进行实时地温度控制，使其长时间恒温工作是目前急需解决的技术难题。建立接近真实器件的热分析模型来预测半导体激光器的热学特性是优化TOSA封装形式以及内部结构的重要手段。

发明内容

针对现有的技术不足，本发明提供一种基于TEC温控的半导体激光器的温度仿真方法。本发明具有可控性强、实时观测、快速准确的模拟出反映器件真实特性的仿真结果等优点。

本发明的技术方案如下：

一种基于TEC温控的半导体激光器的温度仿真方法，采用热分析软件ANSYS对半导体激光器进行温度场的仿真，通过动态控制TEC的加热或制冷状态实现对TO-CAN封装TOSA的恒温控制，模拟出半导体激光器在实际工作状态下的热学特性；包括步骤如下：

(1)定义单元格类型：利用热分析软件ANSYS的热分析单元SOLID279，设置半导体激光器各部分的材料属性：包括热导率、密度和比热容；加载所述半导体激光器的3D模型，并对所述3D模型进行划分网格；利用所述热分析软件ANSYS手动依次拾取彼此相临的网格；

(2)设置ANSYS的热分析类型为瞬态分析；定义初审条件：初始温度、初始时间、分析步长和热源参数；动态控制TEC的工作状态，以模拟对半导体激光器的加载条件，所述加载条件包括半导体激光器的功率、TEC冷面热载荷、TEC热面热载荷和所述半导体激光器各部分的材料热导率；

(3)利用热分析软件ANSYS，根据步骤(2)所述加载条件，得半导体激光器温度场的分布，即温度仿真结果；

(4)分别在半导体激光器、TEC冷面和TEC热面设置温度监测点，按照现有技术绘制出上述各监测点的温度随时间变化的曲线以及半导体激光器温度场云图。

根据本发明优选的，所述动态控制TEC的工作状态的步骤如下：

(2-1)设定一个初始温度InitTemp，目标温度TarTemp，半导体激光器的功率P；

(2-2)设定初始时间Time0，分析步长ΔT；

(2-3)比较初始温度InitTemp与目标温度TarTemp：

如果InitTemp高于TarTemp，则所述TEC的工作状态为制冷模式；

如果InitTemp低于TarTemp，则所述TEC的工作状态为加热模式；

(2-4)根据步骤(2-3)，向所述TEC的冷面设置热载荷Kac，TEC的热面设置热载荷Kah，设置求解时间Time1＝Time0+ΔT；

(2-5)利用热分析软件ANSYS计算分析步长ΔT后的计算结果，提取求解后半导体激光器的温度值Temp1：

当Temp1＞TarTemp+1时，如所述TEC的工作状态为制冷模式，则加大所述TEC的制冷功率；如所述TEC的工作状态为加热模式，则降低TEC加热功率Kac＝Kac-0.5HeatGen，所述HeatGen为TEC载荷的热生成率；

当TarTemp-1＜Temp1＜TarTemp+1时，说明当前温度逐渐接近稳态状态，要尽量减缓温度变化趋势；

当Temp1＞Temp0时，说明温度是上升的趋势，令Kac＝Kac-0.1HeatGen；

当Temp1＜Temp0时，说明温度是下降的趋势，令Kac＝Kac+0.1HeatGen；

当Temp1＜TarTemp-1时，说明当前温度低于目标温度，如所述TEC的工作状态为制冷模式，则减小所述TEC的制冷功率；如所述TEC的工作状态为加热模式，则增加TEC加热功率Kac＝Kac+0.5HeatGen；

(2-6)令Time0＝Time1，作为下一分析步长的求解时间；令Temp0＝Temp1，用来与下一分析步长求解后得到的温度作比较，重复步骤(2-4)—步骤(2-6)。

本发明的优势：

本发明所述一种基于TEC温控的半导体激光器的温度仿真方法，采用CAD建模软件SolidWorks建立了能够全面真实的反映TOSA热学特性的3D模型；

本发明所述一种基于TEC温控的半导体激光器的温度仿真方法，采用有限元热分析软件ANSYS进行温度场仿真，并通过仿真算法动态实现了TEC的控制，加快了仿真进度，同时提高了仿真精确度。本发明设计的仿真算法在外界温度-20℃至60℃范围内均能仿真出精确的温度结果，对实际生产过程中评估半导体激光器的封装和内部优化有指导意义。

附图说明

图1是TO-CAN封装TOSA模型的内部结构图；

图2是TEC动态控制算法流程图；

图3是在TEC不工作时，所述半导体激光器内部温度云图；

图4是在TEC工作时，所述半导体激光器内部温度云图；

图5是外界温度-20℃时，所述半导体激光器上的温度监测点LD_ACTIVECORE、TEC热面的温度监测点TEC_HEAL、TEC冷面的温度监测点TEC_COOL所分别对应的瞬态分析温度曲线；

图6是外界温度20℃时，所述半导体激光器上的温度监测点LD_ACTIVECORE、TEC热面的温度监测点TEC_HEAL、TEC冷面的温度监测点TEC_COOL所分别对应的瞬态分析温度曲线；

图7是外界温度60℃时，所述半导体激光器上的温度监测点LD_ACTIVECORE、TEC热面的温度监测点TEC_HEAL、TEC冷面的温度监测点TEC_COOL所分别对应的瞬态分析温度曲线。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

本发明采用CAD建模软件SolidWorks建立了能够全面真实的反映TOSA热学特性的3D模型，透视四视图和内部结构图如图1所示；

本发明采用有限元热分析软件ANSYS进行温度场仿真，运用ANSYS实现TEC动态控制算法的具体流程如图2所示；

以初始温度和外界大气温度为10℃为例，稳定半导体激光器的温度为25℃，误差0.1K，所述温度场仿真过程依次包括：

实施例1、

一种基于TEC温控的半导体激光器的温度仿真方法，采用热分析软件ANSYS对半导体激光器进行温度场的仿真，通过动态控制TEC的加热或制冷状态实现对TO-CAN封装TOSA的恒温控制，模拟出半导体激光器在实际工作状态下的热学特性；包括步骤如下：

(1)定义单元格类型：利用热分析软件ANSYS的热分析单元SOLID279，设置半导体激光器各部分的材料属性：包括热导率、密度和比热容；加载所述半导体激光器的3D模型，并对所述3D模型进行划分网格；利用所述热分析软件ANSYS手动依次拾取彼此相临的网格；

(2)设置ANSYS的热分析类型为瞬态分析；定义初审条件：初始温度、初始时间、分析步长和热源参数；动态控制TEC的工作状态，以模拟对半导体激光器的加载条件，所述加载条件包括半导体激光器的功率、TEC冷面热载荷、TEC热面热载荷和所述半导体激光器各部分的材料热导率；

(3)利用热分析软件ANSYS，根据步骤(2)所述加载条件，得半导体激光器温度场的分布，即温度仿真结果；

(4)分别在半导体激光器、TEC冷面和TEC热面设置温度监测点，按照现有技术绘制出上述各监测点的温度随时间变化的曲线以及半导体激光器温度场云图。

实施例2、

如实施例1所述的一种基于TEC温控的半导体激光器的温度仿真方法，其区别在于，所述动态控制TEC的工作状态的步骤如下：

(2-1)设定一个初始温度InitTemp，目标温度TarTemp，半导体激光器的功率P；所述初始温度InitTemp为10℃，所述目标温度TarTemp为25℃；

(2-2)设定初始时间Time0，分析步长ΔT；所述初始时间Time0为0，所述ΔT为0.05s；

(2-3)比较初始温度InitTemp与目标温度TarTemp：

如果InitTemp高于TarTemp，则所述TEC的工作状态为制冷模式；

如果InitTemp低于TarTemp，则所述TEC的工作状态为加热模式；

(2-4)根据步骤(2-3)，向所述TEC的冷面设置热载荷Kac，TEC的热面设置热载荷Kah，设置求解时间Time1＝Time0+ΔT；

(2-5)利用热分析软件ANSYS计算分析步长ΔT后的计算结果，提取求解后半导体激光器的温度值Temp1：

当Temp1＞TarTemp+1时，如所述TEC的工作状态为制冷模式，则加大所述TEC的制冷功率；如所述TEC的工作状态为加热模式，则降低TEC加热功率Kac＝Kac-0.5HeatGen，所述HeatGen为TEC载荷的热生成率；

当TarTemp-1＜Temp1＜TarTemp+1时，说明当前温度逐渐接近稳态状态，要尽量减缓温度变化趋势；

当Temp1＞Temp0时，说明温度是上升的趋势，令Kac＝Kac-0.1HeatGen；

当Temp1＜Temp0时，说明温度是下降的趋势，令Kac＝Kac+0.1HeatGen；

当Temp1＜TarTemp-1时，说明当前温度低于目标温度，如所述TEC的工作状态为制冷模式，则减小所述TEC的制冷功率；如所述TEC的工作状态为加热模式，则增加TEC加热功率Kac＝Kac+0.5HeatGen；

(2-6)令Time0＝Time1，作为下一分析步长的求解时间；令Temp0＝Temp1，用来与下一分析步长求解后得到的温度作比较，重复步骤(2-4)—步骤(2-6)。

通过对比图3、图4可以看出，在TEC不工作的情况下，模型温度整体偏高，利用设计的TEC动态控制方法可以实现TEC温度控制，在TEC工作的情况下，模型仿真温度接近实际器件；通过观察图5、图6、图7可以直观的看到，在外界环境-20℃、20℃、60℃时，TEC均能正常工作，半导体激光器的温度大约稳定在25℃，并且模拟仿真的速度较快，有效的减少了运算量，可广泛应用于实际器件封装结构的模拟监测。

Claims (1)

1.一种基于TEC温控的半导体激光器的温度仿真方法，其特征在于，该方法包括步骤如下：

(1)定义单元格类型：利用热分析软件ANSYS的热分析单元SOLID279，设置半导体激光器各部分的材料属性：包括热导率、密度和比热容；加载所述半导体激光器的3D模型，并对所述3D模型进行划分网格；利用所述热分析软件ANSYS手动依次拾取彼此相临的网格；

(2)设置ANSYS的热分析类型为瞬态分析；定义初始条件：初始温度、初始时间、分析步长和热源参数；动态控制TEC的工作状态，以模拟对半导体激光器的加载条件，所述加载条件包括半导体激光器的功率、TEC冷面热载荷、TEC热面热载荷和所述半导体激光器各部分的材料热导率；

(3)利用热分析软件ANSYS，根据步骤(2)所述加载条件，得半导体激光器温度场的分布，即温度仿真结果；

(4)分别在半导体激光器、TEC冷面和TEC热面设置温度监测点，按照现有技术绘制出上述各监测点的温度随时间变化的曲线以及半导体激光器温度场云图；

所述动态控制TEC的工作状态的步骤如下：

(2-1)设定一个初始温度InitTemp，目标温度TarTemp，半导体激光器的功率P；

(2-2)设定初始时间Time0，分析步长△T；

(2-3)比较初始温度InitTemp与目标温度TarTemp：

如果InitTemp高于TarTemp，则所述TEC的工作状态为制冷模式；

如果InitTemp低于TarTemp，则所述TEC的工作状态为加热模式；

(2-4)根据步骤(2-3)，向所述TEC的冷面设置热载荷Kac，TEC的热面设置热载荷Kah，设置求解时间Time1＝Time0+△T；

(2-5)利用热分析软件ANSYS计算分析步长△T后的计算结果，提取求解后半导体激光器的温度值Temp1：

当Temp1>TarTemp+1时，如所述TEC的工作状态为制冷模式，则加大所述TEC的制冷功率；如所述TEC的工作状态为加热模式，则降低TEC加热功率Kac＝Kac-0.5HeatGen，所述HeatGen为TEC载荷的热生成率；

当TarTemp-1<Temp1<TarTemp+1时，说明当前温度逐渐接近稳态状态；

当Temp1>Temp0时，令Kac＝Kac-0.1HeatGen；

当Temp1<Temp0时，令Kac＝Kac+0.1HeatGen；

当Temp1<TarTemp-1时，如所述TEC的工作状态为制冷模式，则减小所述TEC的制冷功率；如所述TEC的工作状态为加热模式，则增加TEC加热功率Kac＝Kac+0.5HeatGen；

(2-6)令Time0＝Time1，作为下一分析步长的求解时间；令Temp0＝Temp1，用来与下一分析步长求解后得到的温度作比较，重复步骤(2-4)—步骤(2-6)。