KR101122858B1 - 가변 열 임피던스를 사용한 반도체 레이저의 파장 온도튜닝 - Google Patents

가변 열 임피던스를 사용한 반도체 레이저의 파장 온도튜닝 Download PDF

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Abstract

원하는 온도 상승을 이루기 위하여 조절가능한 열 임피던스 히트 싱크와 연계하여 레이저 자체에 의해 발생되는 열을 사용함으로써 반도체 레이저(또는 다른 장치)의 온도가 원하는 값으로 설정될 수 있는 장치가 개시된다.

Description

가변 열 임피던스를 사용한 반도체 레이저의 파장 온도 튜닝{TEMPERATURE TUNING THE WAVELENGTH OF A SEMICONDUCTOR LASER USING A VARIABLE THERMAL IMPEDANCE}
본 출원서는 USC 119(e) 하에서 미국 가출원 제60/570,562호 (2004년 5월 14일 출원, Jan Lipson) "가변 열 임피던스를 이용한 반도체 레이저의 파장을 온도 튜닝하는 장치"의 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 수동 메커니즘에 의해 장치들을 온도 제어하는 것으로서, 예를 들어 예컨대 반도체 레이저의 온도를 변화시킴으로써 그 파장을 조절하는데 사용될 수 있는 것이다.
반도체 레이저의 파장은 온도의 변화를 제어하여 튜닝되어 왔다. 온도를 변화시키는 두 개의 일반적인 수단으로서는, 열전(thermoelectric) 쿨러와 저항성 히터가 있다. 열전 쿨러는 통상 펠티어 효과(Peltier effect)를 이용한다. 이러한 장치는 펠티어 소자를 통해 흐르는 전류의 방향에 따라서 가열 또는 냉각할 수 있다. 저항성 히터는 전류를 열로 변환하는 저항이다.
두 가지 어느 경우에 있어서든지, 온도 변화 방법은 많은 전력을 소모한다. 열전 쿨러의 경우, 펠티어 효과는 효율성을 제한하였으며, 냉각에 필요한 전력 소 모는 통상 레이저에서 소모되는 전력의 수 배이다. 열전 쿨러가 히터로 사용되는 경우, 거의 저항 만큼 효율적이다. 가열이 냉각보다 더욱 전력 소모에 있어 효율적일 수 있는 반면, 여전히 대량의 전력을 공급할 필요는 있다. 이는 일반적으로 레이저를 고온에서 동작시키는 것이 바람직하지 않기 때문이다. 이러한 동작을 방지하기 위하여, 일반적으로 레이저는, 적당한 히트 싱크(heat sink)에 대하여 열 임피던스가 작도록 장착된다. 결과적으로, 레이저 근처에 위치한 히터로부터 높은 추가의 온도를 얻기 위하여는, 레이저에 의해 발생되는 것보다 상당히 큰 규모의 열을 발생시킬 필요가 있다. 히터가 열 흐름에 있어서 레이저의 하향에 위치하고 있다면, 상황은 더욱 악화되며, 이 경우 히트 싱크에 대한 열 임피던스는 더욱 작게 되고, 동일한 온도 상승의 효과를 위해서 더 많은 열이 생성되어야 한다.
온도 튜닝을 위해 제공되어야 하는 추가의 전력은 전력 소모가 중요한 상황에서, 예컨대, 별로 크기 않은 크기의 배터리로 장시간 동안 장치가 동작된다면, 허용될 수 없다.
전력 소모의 문제 외에도, 레이저 근처에 히터를 설치하는데 있어 물리적으로 불편할 수 있다. 비용이 심각한 고려사항이고, CD(compact disk) 레이저와 같은 부피가 큰 표준 부품이 사용되어야 한다면, 히터를 추가하기 위하여 패키징을 파손하여 개방할 필요가 있을 수 있다. 따라서, 용이하게 구매할 수 있으며, 패키징을 훼손하지 않고서 레이저의 온도를 조절할 수 있도록 하는 접근 방법에 대한 요구가 있다.
미국 특허 제 5,371,753호에서는 레이저의 턴온 사이클 동안 레이저 다이오드 히트 싱크의 열 임피던스가 변동하는 장치를 개시하고 있다. 이러한 변동은 금속 구조와 에어 갭을 사용하여, 레이저가 워밍업되는 동안에는 그 치수에 의해 금속 구조가 개방되고, 원하는 값의 범위에 온도가 도달한 경우에는 폐쇄되도록 하여 성취된다. 형상 기억 합금으로 얻어지는 등의 온도 변화에서 발생하는 가역성 변형에 의해서 폐쇄가 이루어진다. 이러한 접근 방법은 레이저가 특정의 온도 범위에 도달할 수 있도록 하는 반면, 가장 멀리 도달되는 온도가 크게 변동될 수 있거나 정확하게 제어될 수 있는 방법은 없다. 장치 동작 중에는 열 임피던스의 조절은 불가능하다. 장치의 제작중에 이 값은 고정되며, 이에 따라 온도 범위도 고정된다.
미국 특허 제 6,243,404호에서는 전체 온도 범위에 걸처 튜닝될 수 있고, 상이한 온도 범위가 제작중에 선택될 수 있는, 레이저 모듈을 개시하고 있다. 레이저 온도가 주변 이상으로 고정된 공지의 량 만큼 상승될 수 있도록 레이저와 가장 먼 히트 싱크 사이에 공지의 열 임피던스성 스페이서를 삽입함으로써 온도 범위가 선택될 수 있다. 다음, 열전 쿨러 등의 2차 제어 메커니즘은 기저 레이저 온도의 근처의 범위에서 레이저 온도를 조절할 수 있다. 이러한 접근법에 있어서, 열 임피던스(및 기저 레이저 온도)는 장치 제작 시에 선택되어, 이후로 고정된다. 그 후, 열 임피던스의 변화를 통해서 온도가 더 조절될 수 있으며, 이러한 접근법은 그 결과의 비효율성으로 인하여 장치 동작 중에 필요한 온도 조절을 성취하기 위해서는 앞서 설명한 가열 또는 냉각 구조에 의존한다.
따라서, 반도체 레이저 등의 장치의 온도를 현재의 접근법 보다 더 적은 에 너지를 소모하도록 제어할 필요가 있다.
상기의 제한 사항들과 다른 제한 사항들은 본 발명에 의해 해결되며, 본 발명에서는 레이저(또는 다른 능동 장치)가 그 열 임피던스가 조절될 수 있는 히트 싱크와 연계하여 레이저에 의해 미리 발생된 열을 우선적으로 사용하여 온도 튜닝 될 수 있는 장치를 개시한다.
일 적용예에 있어서, 반도체 레이저의 파장을 제어가능하게 튜닝하기 위하여 이러한 접근법이 사용된다. 레이저 자체에서 발생되는 열은, 레이저의 방출의 부산물로서, 레이저의 온도를 가변 열 임피던스를 사용하여 조절가능한 양만큼 상승시키는데 사용된다. 이에 의해 레이저의 파장은 온도와 파장의 변동에 의하여 원하는 값으로 조절된다.
일 구현예에 있어서, 전체의 히트 싱크는 두 개의 부분을 갖는다. 하나의 부분은 레이저에 열적으로 결합되며, 다른 한 부분은 주변과 적절히 결합된다. 두 개의 부분은 서로 열적으로 결합 또는 분리될 수 있으며, 원하는 열흐름에 의해 결정되는 평균 시간동안 결합된다. 낮은 추가의 전력 소모로 원하는 결합/분리를 성취하기 위하여 래치형의 릴레이가 사용될 수 있다. 히트 싱크의 두 부분이 서로 결합되지 않으면, 레이저 자체에서 발생되는 열에 의해 반도체 레이저의 온도는 상승하게 된다. 원하는 온도에 도달하는 경우, 두 히트 싱크 부분은 평균 열 임피던스를 제공하는데 적합한 시간의 분할 동안 서로 결합하여, 레이저 열과 연계하여 원하는 포인트에서 온도를 안정화시킨다.
다른 대안의 설계 방법으로서, 두 개의 히트 싱크 부분은 열적으로 서로 접촉하지만, 그 접촉 면적은 조절가능하여, 전체 열 임피던스를 변화시킨다. 예컨대, 변형가능한 재료 또는 액체에 의해 접촉 면적이 결정될 수 있으며, 이는 접촉 면적을 변화시키기 위하여 조절될 수 있다.
레이저 어셈블리에 2차 히터(예컨대, 저항성 히터)가 설치되어 더 높은 온도에 도달하는데 필요한 시간을 단축시킬 수 있다. 히터는 워밍업 동안(또는 온도를 크게 상승시킬 다른 경우가 필요한 때)에만 턴온 되고 그 후에 턴오프 되므로, 이러한 방법은 에너지 손실이 거의 없이 행해질 수 있다.
또한, 다른 제어 메커니즘이 사용될 수 있다. 하나의 접근법으로서, 폐쇄 제어 루프(closed control loop)에서 시스템이 동작될 수 있도록 레이저 어셈블리에 온도 센서가 설치되며, 컨트롤러가 온도 센서에 결합되어, 주어진 온도를 유지하도록 히트 싱크의 열 임피던스를 조절한다. 다른 대안의 접근법으로서, 레이저의 출력으로부터 직접적인 피드백을 제공하도록 파장 센서가 사용된다. 컨트롤러는 주어진 파장을 유지하도록 히트 싱크의 열 임피던스를 조절한다. 또한, 컨트롤러는 개루프(open loop) 방법으로 히트 싱크를 동작시킬 수 있다.
이러한 접근법의 하나의 장점으로서, 온도 제어가 주로 수동적이라는 점이다(즉, 외부의 능동 히터 또는 쿨러를 사용하지 않고서). 따라서, 전력 소모가 적다. 또한, 특정 구현예에 있어서, 전체 온도 범위에 걸쳐서 튜닝될 수 있으며, 반도체 레이저의 예에 있어서, 전체 파장의 범위에 걸쳐서 반도체 레이저가 튜닝될 수 있다.
본 발명의 다른 양태들로는, 상기 장치와 시스템에 해당하는 방법을 포함하며, 반도체 레이저와는 다른 장치들에 적용될 수 있으며, 파장 튜닝과는 다른 목적으로 적용될 수 있다.
본 발명의 상기 인용한 장점 및 특징들 및 기타의 장점 및 특징들이 성취될 수 있는 방법을 설명하기 위하여, 상기 간단하게 설명한 본 발명의 더욱 특정적인 설명이 첨부 도면들에 도시된 특정 실시예들을 참조하여 이루어지게 된다. 이러한 도면들은 본 발명의 전형적인 실시예를 나타내며, 따라서 그 범주를 제한하는 것으로 간주되어서는 않되며, 첨부 도면들을 사용하여 자세하게 더욱 특정적으로 본 발명을 설명한다.
도 1은 히트 싱크의 상이한 부분들 사이의 간헐적인 접촉에 의해 조절가능한 열 임피던스가 획득되는 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 변형가능한 재료를 사용하여 계속적으로 열 임피던스가 변동되도록 하는 장치를 나타낸 도면이다.
도 1은 히트 싱크의 상이한 부분들 사이의 간헐적인 접촉에 의해 조절가능한 열 임피던스가 성취되는 장치를 나타낸 도면이다. 본 예에 있어서, 레이저 히트 싱크부(110)과 제2 히트 싱크부(120)의 두 부분으로 히트 싱크가 구현된다. 반도체 레이저(150)는 레이저 히트 싱크부(110)에 의해 접촉되지만, 열 흐름이 히트 싱크를 통해 주로 이루어지도록 하우징(160)으로부터 절연된다. 히트 싱크(110)는 두 부분을 함께 구동하는 액추에이터(170)에 의해 제2 히트 싱크(120)에 열적으로 결합될 수 있다. 일 설계예에서, 액추에이터(170)는 솔레노이드이다.
도 1은 액추에이터(170)가 연장될 때 레이저 히트 싱크부(110)가 제2 히트 싱크부(120) 상으로 편향되는 경우를 나타내지만, 다른 대안의 접근법에서는, 레이저 히트 싱크부(110)의 위치는 고정되고, 액추에이터(170)는 제2 히트 싱크부(120)를 접촉 영역으로 이동시키는데 사용된다.
일 설계예에 있어서, 레이저 히트 싱크부(110)는 유용한 회로를 설정하기 위하여 도전성 트레이스(conductive traces)(115)를 포함하는 일체화된 어셈블리의 일부이다. 하나의 접근법으로서, 이러한 회로들(115)은 반도체 레이저(150)의 온도를 감지하는 온도 센서(130)로의 접속점을 포함하는 것이 바람직하다. 센서(170)로부터 얻어지는 온도를 사용하여, 제어 회로(180)는 원하는 온도에 재빨리 도달하여 그 포인트에서의 온도를 안정화하는데 적절한 동작을 수행할 수 있다.
제어 회로(180)는 언제 히트 싱크부(110 및 120)가 접촉하며 얼마나 오래 접촉하는지를 결정하는 동작을 수행한다. 레이저(150)의 평형 상태에서의 온도 상승은 이하의 관계식에 의해 결정된다.
△T = ZH
여기서, △T 는 제2 히트 싱크부(120)의 온도(본 예에서 일정 온도에 있다고 가정) 이상의 레이저(150)의 온도 상승이며, Z는 레이저(150)로부터 히트 싱크부(120)로의 효율적인 열 임피던스이며, H는 평형 상태에서 레이저(150)에 의해 소진되고 있는 열이다. 여기서, 레이저 히트 싱크부(110)를 통해 열이 전도되지 않는 전도 평행 경로는 일반적으로 그러하듯이 설계상 무시할 수 있는 것으로 가정한다.
히트 싱크의 두 부분(110 및 120)이 전체 시간 tt 중에서 시간 t1 동안 접속된다면, 유효 열 임피던스는 다음과 같이 근사화된다:
Z = tt/t1 Zc
Zc 는 액추에이터(170)가 두 부분(110 및 120)을 연결하는 경우 레이저(150)로부터 제2 히트 싱크부(120)로의 열 임피던스이다. 연결 시간 t1 (또는 듀티 사이클 t1/tt)의 조절을 통하여 온도 상승 △T이 원하는 값이 되도록 Z의 원하는 값이 획득될 수 있다.
시간 tt 는 연결된 시간 t1 및 연결되지 않은 시간 (tt - t1) 모두에 있어서 원하는 온도로부터 레이저 어셈블리의 온도 변동치를 제한하도록 선택되는 것이 바람직하다. 이러한 시간 동안 평균 임피던스로부터 열 임피던스가 조절되고 있기 때문에 변동치가 발생한다. 레이저 어셈블리는 다른 질량과 열용량을 갖는 물질의 조합으로 구성된다. 그러나, 해당 물질에 적절한 열용량과 각 질량과의 곱의 합인 열질량을 갖는 것으로 고려될 수 있다. 어셈블리는 레이저 가열(H)과는 비례하고 전체 어셈블리의 열질량에는 반비례하는 양만큼, 주어진 시간동안 온도가 상승될 것이다. 온도 변동치가 설정값(Tv) 보다 낮을 것이 요구된다면, 히트 싱크가 연결되지 않은 시간(tt - t1)은 Tv 만큼 어셈블리가 온도 상승하는데 요구되는 시간 보다 작아야 한다.
시간 tt 를 설정하기 위한 두번째의 기준은, 열 임피던스가 시간 간격(t1) 동안의 원하는 평균 보다 작기 때문에, 연결 기간의 종단 부근에서 평균 보다는 낮게 될 것이라는 관찰로부터 비롯될 수 있다. 그러나, 바람직한 실시예에 있어서, 실질적으로 모든 열이 두 개의 히트 싱크부(110 및 120) 사이에서 흐르는 경우, 비연결 기간 동안의 온도 변동치는 연결 기간 동안의 온동 변동치 보다 더 클 것이다. 이는 비연결 기간의 열 임피던스가 적절한 절연에 의해서 매우 크게 된다고 가정되기 때문이다. 따라서, 비연결 기간 동안의 변동치에 기초한 기준이 일반적으로 좀 더 설득력 있게 될 것이다.
액추에이터(170)는, 연결이 이루어지도록 적절한 전류가 공급되고, 비연결이 이루어지도록 제2의 적절한 전류가 공급되는 릴레이형의 전기 장치가 되도록 선택될 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 릴레이는 전류의 인가로 인하여 도달되는 위치에서 액추에이터(170)를 래치하고 있다. 그러한 경우, 전류가 중지될 수 있으며, 액추에이터(170)의 위치를 유지하는데 더 이상 아무런 전력이 필요하지 않게 된다. 액추에이터(170)가 자신의 초기 위치에 복귀되어야 하는 경우, 제2 전류가 인가되어 래치를 해제시킨다.
릴레이는 종래의 솔레노이드에 기초한 것일 수 있으나, 이에 한하지는 않는다. 기본적으로 동일한 기계적 기능을 갖는 다른 유형의 액추에이터(170)들 또한 사용할 수 있다. 예컨대, MEM 액추에이터, 압전 액추에이터, 모터 구동 액추에이터, 및 요구되는 편향치와 힘을 생성하는 기타의 액추에이터들을 포함할 수 있다. 평균 전력 소모는 레이저 보다 작거나 그와 동등한 수준일 인 것이 바람직하다. 많은 상이한 전력의 레이저들에 본 발명이 적용가능하므로, 액추에이터의 선택은 부분적으로 레이저에 의존한다. 그러나, 종래의 솔레노이드형 릴레이는 일반적으로 광범위한 레이저 선택에 걸쳐서 잘 동작하며, 저렴할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 유리하게도 2차 히터(155)가 채용될 수 있다. 2차 히터(155)는 또한 도전성 트레이스(115)를 통해서 반도체 레이저(150)를 원하는 온도까지 좀 더 빨리 가열시키도록 전력이 인가되는 전력에 유용하게 될 수 있을 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 히터(155)는 전류가 흐르는 저항으로 구성된다. 이러한 저항성 히터(155)는 이러한 기능을 수행하기 위하여 레이저 히터만으로 요구되는 시간에 비하여 짧은 시간에 원하는 온도까지 레이저 어셈블리를 재빨리 가열하는데 사용될 수 있다. 원하는 온도에 도달한 후에, 2차 히터(155)는 턴오프될 수 있다. 레이저 어셈블리의 열질량이 너무 크지 않다면, 2차 히터를 사용함으로 인해 초래되는 에너지 손해는 작은 것이다.
히터(155)는 온도 제어가 주로 조절가능한 열 임피던스를 갖는 히트 싱크에 의해 성취된다는 점에서 2차적인 것이다. 예컨대, 초기 가열(예컨대, 시동중)에서 또는 레이저에 의한 가열에 대한 보충으로서(예컨대, 레이저가 한 동작 온도에서 또 다른 동작 온도로 이동되는 경우) 2차 히터(155)가 사용된다. 또한, 제어 회 로(180)는 전류를 임의의 2차 히터(155)에 인가하는 동작을 수행할 수 있다.
유리하게는, 구리 접지판을 갖는 가요성 회로(flex circuit)가 되도록 레이저 히트 싱크부(110)가 선택될 수 있다. 설계 길이에 걸쳐 낮은 열 임피던스를 갖는 충분한 폭과 두께의 구리층을 통해 열이 전도되며, 가요성 회로의 일부인 절연층 상에 도전 트레이스(115)들을 사용하여 전기 회로들이 설치될 수 있다. 이는 레이저 어셈블리 내에서 온도 센서, 임의의 2차 히터, 레이저 바이어스 전류 연결구, 및 임의의 모니터 포토다이오드가 직접적으로 연결될 수 있도록 한다.
제어 회로(180)와 레이저 히트 싱크부(110) 사이의 연결은, 그 열 임피던스가 크게 되도록 선택되어야 한다. 이는 회로를 설치하는데 사용되는 트레이스들이 요구되는 전류를 유지하는데 필요한 최소 폭과 두께라면 이루어질 수 있다. 트레이스(115)와 제어 회로(180) 사이의 전기적 연결이 이루어지도록 함에 있어서, 가능한 한 작은 치수의 배선들이 사용되는 것이 유리하다. 열흐름을 감소시키기 위하여, 레이저 히트 싱크부(110) 자체는 제어 회로(180)에 부착되지 않는 것이 바람직하다.
도 1의 예에 있어서, 온도 센서(130)는 레이저 어셈블리 상에 탑재되는 것이 유리하다. 센서는 써미스터(thermistor) 또는 결정될 수 있는 온도로부터 전압을 생성하는 반도체 장치일 수 있다. 다른 대안으로서, 레이저의 파장은 몇몇 종류의 파장 센서에 의해 직접 측정되어, 레이저의 파장이 미리 설정된 목표값에 셋팅될 수 있도록 제어 회로(180)에 대한 피드백으로 사용될 수 있다.
유리하게는, 열 절연체는 글래스가 되도록 선택될 수 있으며, 더욱 바람직한 실시예에서는, 실질적으로 공기 버블(air bubbles)로 충진된 글래스가 되도록 선택될 수 있다.
이하, 통상적인 동작중에 200mW의 열 에너지를 소비하며, 0.25 nm/℃ 의 파장/온도 계수를 갖는 반도체 레이저에 기초한 예를 설명한다. 20℃의 온도 상승에 해당하는 5nm 만큼 레이저를 튜닝할 것이 요구되는 경우를 고려한다. 레이저 히트 싱크부(110)는 제2 히트 싱크부(120)에 연결되는 경우 그 열 임피던스가 약 20℃/W가 되도록 선택된다. 그러므로, 항상 연결된다면, 레이저 온도 상승은 4℃가 될 것이다. 이러한 열 임피던스를 성취하기 위해서, 20 mm 길이 × 10 mm 폭 × 0.25 mm 의 두께를 갖는 구리 히트 싱크가 채용될 수 있으나, 직접적인 열흐름 계산은 다른 가능한 치수 또는 재료를 갖도록 해도 충분하다. 절연재의 치수 및 재료는 적어도 120/℃, 바람직하게는 적어도 200℃/W의 열 임피던스를 얻도록 종래의 열흐름 계산을 사용하여 선택될 수 있다. 이러한 경우, 다른 모든 열 경로들은 무시될 수 있다고 가정하면, 200 mW 레이저 가열은 히트 싱크가 항상 연결된 경우 도달되게 되는 온도 보다 적어도 20℃ 이상 레이저 어셈블리가 상승하도록 할 수 있다. 따라서, 본 예에 있어서, 레이저 파장은 히트 싱크가 항상 연결된 경우와 전혀 연결되지 않은 경우 사이에 적어도 5nm 만큼 변화될 것이 예상될 수 있다.
액추에이터(170)가 제한된 접촉 면적에 의해 과도한 열 임피던스가 부가되지 않도록 연결점에 힘을 가하는 경우, 두 히트 싱크부(110 및 120) 사이에는 적절한 접촉 면적이 바람직하다. 본 예에 있어서는, 제2 히트 싱크부(120)도 구리라고 한다면 1 mm2 의 접촉 면적이면 충분하다.
어셈블리에 2차 저항성 히터가 사용되는 경우, 워밍업 시간에 상당한 영향을 주기 위해서는 적어도 레이저 만큼의 열을 제공하도록 장치를 설계하는 것이 바람직하다. 전술한 예에 있어서는, 500 mW 히터가 적절한 선택이 될 것이다. 100 mA의 전류에 대하여는, 저항이 50 Ω이 될 것이다.
히트 싱크부(110)는 액추에이터(170)에 의해 연결되는 경우 탄성적으로 편향되고, 접촉이 종료되는 경우 통상적인 위치에 복귀될 것이 요구된다. 본 예에 있어서, 약 1 mm의 편향이면 충분하고, 액추에이터(170)는 약 2 mm의 편향을 갖도록 선택될 수 있다. 이러한 경우, 액추에이터(170)는 요구되는 경우를 제외하고 히트 싱크와 접촉할 필요는 없으며, 액추에이터(170)가 연장되지 않는 경우 두 히트 싱크부(110 및 120) 사이에 열이 흐르지 않을 것이다.
바람직한 실시예에 있어서, 제어 회로(180)는 온도가 폐루프 제어되도록 한다. 회로는 온도 센서(130)의 출력을 판독하는 장치 및 히트 싱크부(110 및 120)를 연결하는데 필요한 시간을 확보하기 위한 적절한 회로를 포함한다. 바람직한 실시예에 있어서, 연결 시간을 설정하는 기능을 수행하기 위하기 위하여, 계산 능력을 갖는 마이크로프로세서 또는 특정 목적의(application specific) IC가 사용될 수 있다. 원하는 온도를 성취하기 위하여 많은 가능한 제어 알고리즘들이 존재한다. 이를 위한 만족스러운 한가지 방법은, 적당한 어셈블리의 샘플에 대한 연결 시간의 함수로서 통상적인 온도 변동치에 기초하여 히트 싱크들이 연결되어야 하는 시간의 분할을 예측하는 것이다. 어셈블리의 개별적인 변동성은 센서로부터 측정된 온도가 높거나 낮은지에 따라서 연결된 시간의 분할에 대한 조절을 수행하게 되 는 마이크로프로세서에 의해 보상될 수 있다. 요구되는 시간을 최소화하기 위해서는 레이저가 설정값 근처에 도달할 때까지 히트 싱크부(110 및 120)가 분리되는 것이 바람직하다.
도 1에 있어서, 제어 회로(180)는 또한 액추에이터(170)를 구동하는 장치를 포함한다. 2차 히터가 채용되는 경우에는, 히터에 전류를 공급하는 또 다른 장치가 제어 회로에 추가된다.
전술한 시간 평균 기법을 사용하는 것 보다는, 열 임피던스가 지속적으로 어떤 범위에 걸쳐 조절가능한 제어 구조를 구현할 수도 있다. 도 2는 레이저 히트 싱크부(110)와 제2 히트 싱크부(120) 사이에 조절가능한 힘을 제공하여, 레이저 히트 싱크부(110)와 제2 히트 싱크부(120) 사이의 접촉 영역을 조절함으로써, 이를 성취하는 예를 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이, 유리하게도 실현 가능한 힘으로 접촉 영역에 큰 변화가 일어날 수 있도록 두 히트 싱크부(110 및 120) 사이에 변형가능한 재료(210)가 위치된다. 용이하게는, 이 재료는 유리하게는 낮은 탄성 계수를 갖는 고체 또는 액체로 선택될 수 있다. 액체인 경우, 힘이 아니라 레이저 히트 싱크부(110)와 제2 히트 싱크부(120) 사이의 간격을 제어할 필요가 있다. 유리하게는, 액체는 오일 또는 수은으로 선택될 수 있다. 적당한 변형가능한 고체는 구형으로 얻어질 수 있다. 적합한 재료의 선택으로는 알루미늄 또는 구리를 포함할 수 있다.
레이저 어셈블리, 파장 및 파장 범위, 형상 요소들, 히트 싱크의 형태 등의 특정 선택은 부분적으로는 적용예에 의존할 것이다. 가능한 적용예의 일 부류로서 라만 분광기(Raman Spectroscopy)가 있다. 이러한 적용예에 있어서는, 형광의 배경과 측정 아터이팩트들(artifacts)을 정확하게 추출하는데 상이한 파장 측정법이 유용할 수 있다. 일 구현예에 있어서, 반도체 레이저를 이용한 830 nm 의 레이저 파장을 사용한다. 유리하게는, 레이저가 TO-헤더형 패키지에 설치된다. 유리하게는, 레이저는 0.2 nm 보다 작은 정밀도로 안정화될 수 있으며, 및/또는 약 1nm 씩 정밀하게 튜닝되어, 튜닝 전후에 스펙트럼에 있어서 감산이 이루어질 수 있다.
또 다른 적용예로는 광통신이 있다. 예컨대, 반도체 레이저는 1550 nm 근처의 파장을 가질 수 있으며, 또한 유리하게는 TO-헤더형 패키지에 설치될 수 있다. 밀집한 파장분할 다중화 시스템에 있어서는, 통상적인 채널간 간격이 약 0.8 nm 이다. 전술한 접근법은 채널 간격 보다 정밀한 정밀도로, 잠재적으로는 전력 소모에 있어서 큰 장점을 가지고, 레이저를 제어하는데 사용될 수 있다. 널리 활용되고 있는 좀 더 소형의 패키징 구조에서는, 이는 매우 유리하다.
상세한 설명에서 많은 세부 사항들이 포함되어 있지만, 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 되며, 단지 본 발명의 다른 예들과 양태들을 나타내는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 범주는 전술하지 않은 다른 실시예들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 청구범위에 정의되는 바와 같이, 본 발명의 개념과 범주로부터 일탈하지 않고서, 본 명세서에 개시된 본 발명의 방법 및 장치의 구성, 동작, 및 세부사항들에 있어서, 당업자에게 자명할 수 있는 다양한 다른 변형예, 변경예, 개조예들이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 범주는 첨부된 청구범위와 그 법적 균등물로서 판정되어야 한다.

Claims (25)

  1. 반도체 레이저의 파장을 튜닝하는 장치에 있어서,
    반도체 레이저 - 상기 반도체 레이저에 의해 생성되는 광 빔의 파장은 상기 상기 반도체 레이저의 온도의 함수로 변동함 - ;
    상기 반도체 레이저에 열적으로 결합되며, 조절가능한 열 임피던스를 갖는 히트 싱크; 및
    상기 광빔의 파장이 주어진 파장에서 유지되도록 상기 히트 싱크의 상기 열 임피던스를 조절하는 컨트롤러를 포함하는 것을
    특징으로 하는 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 레이저의 온도는 상기 반도체 레이저에 의해 생성되는 열 및 상기 히트 싱크의 열 임피던스를 포함하는 인자들에 의해 결정되는 것을
    특징으로 하는 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광빔의 파장이 주어진 파장에서 유지되도록 상기 반도체 레이저가 외부 장치에 의해 능동적으로 가열 또는 냉각되지 않는 것을
    특징으로 하는 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 레이저에 의해 생성된 열의 전달은 히트 싱크를 통해 이루어지는 것을
    특징으로 하는 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 히트 싱크는,
    상기 반도체 레이저에 열적으로 결합되는 제 1 히트 싱크부; 및
    상기 제 1 히트 싱크부로의 열적인 결합 또는 분리가 스위칭 가능한 제 2 히트 싱크부를 포함하며,
    상기 컨트롤러는 상기 제 1 히트 싱크부에 대한 상기 제 2 히트 싱크부의 열적 결합의 듀티 사이클(duty cycle)을 조절함으로써 상기 히트 싱크의 열 임피던스를 조절하는 것을
    특징으로 하는 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제 1 히트 싱크부와 상기 제 2 히트 싱크부 사이의 기계적 접촉을 형성 및 해제하여, 상기 제 1 히트 싱크부와 상기 제 2 히트 싱크부의 열적인 결합 또는 분리를 스위칭할 수 있는 액추에이터를 더 포함하는 것을
    특징으로 하는 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 액추에이터는 솔레노이드를 포함하는 것을
    특징으로 하는 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 솔레노이드가 접촉 위치와 비접촉 위치 중 적어도 한 위치에서 래치되는 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 히트 싱크는,
    상기 반도체 레이저에 열적으로 결합되는 제 1 히트 싱크부; 및
    상기 제 1 히트 싱크부와 열적으로 접촉하는 제 2 히트 싱크부를 포함하며,
    상기 열 접촉의 영역은 영역들의 범위에 걸쳐 연속적으로 조절가능하며, 상기 컨트롤러는 상기 열 접촉의 영역을 조절함으로써 상기 히트 싱크의 열 임피던스를 조절하는 것을
    특징으로 하는 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 열 접촉의 영역을 형성하는 변형가능한 재료(deformable material)를 더 포함하는 것을
    특징으로 하는 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 변형가능한 재료는 액체인 것을
    특징으로 하는 장치.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 변형가능한 재료는 형태가 구형(spherical)인 것을
    특징으로 하는 장치.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 히트 싱크는,
    제 2 히트 싱크부; 및
    상기 제 2 히트 싱크부에 상기 반도체 레이저를 열적으로 결합하는 제 1 히트 싱크부를 포함하며,
    다른 한편으로 상기 제 1 히트 싱크부는 부분적으로 공기로 충진된 글래스에 의해 열적으로 절연되는 것을
    특징으로 하는 장치.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 히트 싱크는,
    상기 반도체 레이저에 열적으로 결합되는 제 1 히트 싱크부; 및
    상기 제 1 히트 싱크부에 열적으로 조절가능하도록 결합되는 제 2 히트 싱크부를 포함하며,
    상기 제 1 히트 싱크부는 상기 반도체 레이저에 전기적으로 연결되는 도전성 트레이스도 포함하는 일체형 어셈블리(intergrated assembly)의 일부인 것을
    특징으로 하는 장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제 1 히트 싱크부는 연성 회로의 구리층을 포함하는 것을
    특징으로 하는 장치.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 광빔의 파장은 파장들의 범위에 걸쳐서 조절가능한 것을
    특징으로 하는 장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 파장들의 범위는 적어도 1.0 nm에 걸쳐 있는 것을
    특징으로 하는 장치.
  18. 제 1항에 있어서,
    2차 히터를 더 포함하며,
    상기 컨트롤러는 상기 반도체 레이저의 초기 가열을 위해 상기 히터를 활성화시키는 것을
    특징으로 하는 장치.
  19. 제 1항에 있어서,
    2차 히터를 더 포함하며,
    상기 컨트롤러는 상기 반도체 레이저의 보충 가열을 위하여 상기 히터를 활성화시키는 것을
    특징으로 하는 장치.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 2차 히터는 저항성 히터를 포함하는 것을
    특징으로 하는 장치.
  21. 제 1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 프로세서를 포함하는 것을
    특징으로 하는 장치.
  22. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 레이저의 온도를 감지하는 온도 센서를 더 포함하며,
    상기 컨트롤러는 상기 온도 센서에 결합되어, 상기 반도체 레이저의 온도가 주어진 파장에 대응하는 온도에서 유지되도록 상기 히트 싱크의 열 임피던스를 조절하는 것을
    특징으로 하는 장치.
  23. 제 1항에 있어서,
    상기 광빔의 파장을 감지하는 파장 센서를 더 포함하며,
    상기 컨트롤러는 상기 파장 센서에 결합되어, 상기 광빔의 파장이 주어진 파장에서 유지되도록 상기 히트 싱크의 열 임피던스를 조절하는 것을
    특징으로 하는 장치.
  24. 반도체 레이저의 온도를 제어하는 장치에 있어서,
    반도체 레이저;
    상기 반도체 레이저에 열적으로 결합되며, 조절 가능한 열 임피던스를 갖는 히트 싱크; 및
    상기 반도체 레이저의 온도가 주어진 온도에서 유지되도록 상기 히트 싱크의 열 임피던스를 조절하는 컨트롤러를 포함하는 장치.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 주어진 온도는 적어도 1℃의 온도 범위에 걸쳐서 조절 가능한 것을
    특징으로 하는 장치.
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