利用热敏电阻精确测量DFB激光器动态结温度 .pdf

第 3 3卷第 9期 2 0 1 2年 9月 仪 器 仪 表 学 报 C h in e s e J o u r n a l o f S c i e n t i fi c I n s t r u me n t V0 1 3 3 No 9 S e p 2 01 2 利用热敏 电阻精确 测量 D F B激光器动态 李金义 杜振辉 齐汝宾 徐可欣 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津3 0 0 0 7 2 仕 日 当 日 皿 度 摘要 半导体激光器结温度的测量对于其温度控制和特性研究非常重要 基于对激光器的结构和热电等效模型的研究 建 立半导体激光器组件中激光器芯片和热敏电阻的数学模型 利用热敏电阻实时监测激光器在热动态过程中的结温度 以气体 吸收谱线的波长验证了模型的正确性 实现激光器结温度预测不确定度约为0 0 1 K 还利用此方法测量了电流调谐过程中动 态结温度 在一个锯齿电流扫描周期内结温度变化量为0 0 4 4 K 基于热敏电阻预测激光器结温度无需附加额外测量装置 其 精度不受环境温度和T E C电流的影响 适合于原位 在线激光系统 也可应用于激光器组件热学性能的研究 关键词 结温度 可调谐二极管激光吸收光谱 动态测量 中图分 类号 T N 3 6 1 T N 3 6 4 2 文献标识码 A 国家标准学科分类代码 5 1 0 3 0 3 0 Hi g h p r e c is io n d y n a mic j u n c t io n t e mp e r a t u r e e s t ima t io n f o r DFB l a s e r us in g t h e r mis t o r L i J in y i D u Z h e n h u i Q i R u b in X u K e x in S t a t e K e y L a b o fP r e c i s i o n Me a s u r in g T e c h n o l o g y a n d I n s t r u m e n t s T ia n j in U n i v e r s it y T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 A b s t r a c t T h e j u n c t io n t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t o f l a s e r d io d e L D is v e r y im p o r t a n t in it s t e m p e r a t u r e c o n t r o l a n d t h e r ma l c h a r a c t e ri s t ic s t ud y Ba s e d o n t h e s t u d y o n t h e s t r uc t u r e a n d t h e rm a l e l e c t ri c e q u iv a l e n t c ir c u it mo de l o f l a s e r d io d e m o d u l e L D M a m a t h e ma t ic m o d e l o f t h e l a s e r c h i p a n d t h e rmis t o r i n t h e L D M is e s t a b l i s h e d T h e d y n a m ic j u n c t io n t e m p e r a t u r e c a n b e m o n it o r e d u s in g t h e t h e rmis t o r in t e g r a t e d in t h e L D M d u r in g t h e rm a l d y n a m ic p r o c e s s Th e mo de l is v a l id a t e d wit h in d ir e c t t e mp e r a t u r e me a s u r e me n t t h r o ug h mo n it o r i ng t h e e mis s io n wa v e l e n g t h o f t h e l a s e r d io d e u s in g g a s a b s o r p t io n l in e s T h e u n c e rt a i n t y o f t h e e s t im a t e d d y n a m ic j u n c t io n t e m p e r a t u r e o f l a s e r d i o d e is a b o u t 0 0 1 K T h e d y n a mic j u n c t i o n t e mp e r a t u r e d u rin g c u r r e n t t u n in g p r o c e s s i s me a s u r e d a s w e l l a n d t h e j u n c t io n t e m p e r a t u r e v a r ia t io n in a s a w t o o t h c u rr e n t s c a n c y c l e is 0 0 4 4 K Wh il e u s in g t h e rm is t o r t o e s t ima t e t h e j u n c t io n t e m p e r a t u r e o f l a s e r d io d e t h e e s t i ma t io n a c c u r a c y is im m u n e o f t h e d is t u r b a n c e o f a m b ie n t t e m p e r a t u r e a n d in j e c t i o n c u r r e n t i n v a ri o u s t h e rm a l d y n a m ic p r o c e s s e s T h e m e t h o d r e q u i r e s n o a d d it io n al d e v ic e s a n d i s s u i t a b l e f o r in s it u o n l in e l a s e r d io d e a p p l ic a t io n s I t c a n als o b e a p p l ie d t o s t u d y t h e t h e rm al p r o p e rti e s o f l a s e r d io d e mo d u l e Ke y wo r d s j u n c t io n t e m p e r a t u r e t u n a b l e d io d e l a s e r a b s o rpt io n s p e c t r o s c o p y d y n a m ic m e a s u r e me n t 1 引 言 半导体激光器 L D 的结温度影 响器件的发光效率 光谱特性 稳定性和寿命等特性 激光器结温度 的测 量和器件热学特性的研究都是非常重要的工作 大功率 半导体激光器 的热量密度高 其结温度 热特性和模型方 面都有了大量的研究 相干测量 光谱检测 等 领域应用的单片可调谐激光器 尽管耗散功率小 但是其 光谱特性 波长 线宽等 对温度更为敏感 需要在更高 精度要求下研究器件的结温度和热学参数 比如 近红外 收稿 日期 2 0 1 2 0 3 R e c e i v e d D a t e 2 0 1 2 0 3 基金项目 国家 自 然科学基金重点项目 6 0 9 3 8 0 0 2 精密测试技术及仪器国家重点实验室探索课题 P I L T I 1 0 7 资助项目 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 9期 李金义 等 利用热敏电阻精确测量 D F B激光器动态结温度 2 0 8 9 D F B激光器的波长温度系数为 0 1 n m K 为了满足 光谱 分析的要求 其温度测量和控制 的精度通常要达 到 0 01 K 当前 激光器结温度 的测量利用受结 温度影响 的物 理量 如输出光功率 结 电压 输 出波长 等进行温度 的测 量 波长法 的测量准确度高 但是需要高分辨率 的 波长测量装置 并且额外 的光学组件 限制 了其 在在线系 统中的应用 以结 电压测量激光器 的结温度是广泛应用 的方法 其测量不确定度大约在 0 5 K量级 不能 满足要求 简便的高精度结温度测量方法对于在线系统 非常必要 很多激光器组件 中都集成 了热敏 电阻 在半 导体激 光器的工作温度范围内 2 6 3 3 2 3 K 的温度分辨率优于 1 m K 但是 由于激光芯片的 自发热 以及与热敏 电阻热 学参数不 同 热 敏 电阻并 不 能直 接反 映 激光 器 的结 温 度 尤其在温度动态变化过程 中的偏差更大 本文试 图通过热学模型建立热敏电阻与激光器瞬时结温度的关 系 并通过气体的吸收波长验证预测模型的有效性 2 实验方法 2 1 DF B激光器结构 商用蝶形封装 D F B激光器组件 L D M 的典 型 内部 结构如 图 1 所 示 激光 器 芯 片 L D c h ip 光 电二极 管 p h o t o d i o d e P D 负温度系数 n e g a t iv e t e m p e r a t u r e c o e f fic ie n t N T C 热敏 电阻 T h e r m is t o r 都置 于金属 载体上 载体的下端面与热 电制冷 器 t h e rmo e l e c t r ic c o o l e r T E C 的冷端连接 T E C的热端与 L D M 的外壳连接 实 现与外 界热交换 T E C的作用 是调节 L D的温 度 通过 对 T E C 施加正向或负向的驱 动电流来实现其制冷 或加热 使得 L D工作在某一 稳定 温度 或实现 L D的温度 调谐 N T C 热敏电阻用来监视 L D工作 过程 中的温度 然 而 由于 热敏 电阻与激光器芯 片热 特性的差异 两者 的实 际温度 并不相 同 因此 需要对二者的关系进行深入分析 图 1 D F B激光器内部结构示意图 Fig 1 Sc he ma t ic d ia g r a m o f DFB l a s e r in b ut t e r fly pa ck a g e 2 2 L DM 热学模型 热电等效模 型是 近年来 研究 L D M热传 导和热控 制 的一种简便有效 的新方法 该方法根据热 电传 递规 律的相似性 使用类似 于电学 中欧姆 定律及 电路 中的网 络理论 的形式来研究 L D M 的工作特性 对 L D M 的热电 等效模型及参数辨识进行 了深入 的研究 对 图 1的 L D M 建立热 电模型 如 图 2所 示 包括 热激励 源 T E C 负载 激光器芯片 热敏电阻 和外界扰动 环境 温度 环境 温度对激 光器 芯片 和热 敏 电阻 温度 的影 响 主要 通过 L D M外壳 一 T E C一载体实现 热辐射和与空气 的直接热 传导忽略不计 模 型中各个符号的物理意义及单位如表 1所示 图2 D F B激光器的热电等效模型 F ig 2 T h e r ma l e l e c t r ic e q u iv ale n t c ir c u it mo d e l o f DFB l a s e r wit h b ut t e r fly pa c ka g e 表 1 图 2中各个符号的意义及单位 Tabl e 1 The m e a nings an d u nit s o f t he s y m bo l s in fi g 2 符号 物理意义 单位 符号 物理意义 单位 b 环境温度 K C T E C冷端一 载体的热容 J K R 外壳一 T E C冷端的热阻 K W RT h 热敏电阻的热阻 K W C 外壳一 T E C冷端的热容 J K C T h 热敏电阻的热容 J K Q m b 由 T a m b 产生经 R 的热量 w r T h 热敏电阻的温度 K c T E C驱 动电流 A Q 热敏电阻的焦耳 热 w V T E C T EC两端 电压 V R L D 激光器芯片的热阻 K W Q T E C产生经 T E C冷端一 载体的热量 w C L D 激光器芯片的热容 J K T E C冷端 的温度 K D 激光器芯片的温度 K R T E C冷端一 载体的热阻 K W Q L D 激光器芯片的焦耳 热 w 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 仪器仪表学报 第 3 3卷 忽略热敏电阻的 自发热 当激光器工作在热平衡状 态或温度变化非常缓慢 近似热平衡 的情况下 激光 器 组件 中激 光器 芯 片 的温度 与 N T C热 敏 电阻存 在下 列 关系 T L D T o R L D Q L D 1 Q 为激光器芯片在工作 中的焦耳热 可 由其 总功率减去辐射光功率来计算 Q U 一P 2 式 中 和 分别为激光器芯片 的两端 电压 V 和注入 电 流 A P 为激光器芯片的输出光功率 w 在 L D M处于热动态 的情 况下 由于传感 器 的热惯 性 根据之前建立的 L D M热等效电路模型 与 温 度关系变为 r Q 1 0 R Q 0 e 3 式 中 r 为热敏电阻的热时间常数 S T d T T d t 为 热敏电阻温度的变化速率 K s r 为激光器芯片的热 时间常数 S 0 和 Q 0 分别为初始时刻 t 0 的热敏电阻温度和激光器芯片 自发热 T L D 为 m s 量级 而 热 动态过程一般为 s 量级 因此满足 t Jr 式 3 可简 化为 T L D T T h T h R L D Q 4 因此 可 以通 过式 4 来 计算激光 器在热 动态过程 中的结温度 并且 此模型与外 界环境温度及 T E C无 关 具有普适性 3实验 结果 激光器组件的热学参数 卟 r 可 以通过实验 获得 具体可参 考文献 5 测量得 到的蝶形封装 D F B 激光器 F u r u k a w a F R L 1 5 D D R x A 3 1 的几个关键 热学参 数如表 2所示 表 2 D F B激光器的热参数 F R L 1 5 D DR x A 3 1 Tab l e 2 The r ma l pa r a m e t e r s o f t he DFB LD F R L 1 5 DD R x A 3 1 为 了验证基于热敏 电阻 的激光器结 温度预测方法 在 L D M温度变化过程 中 将激光器结温度的预测值与波 长法测量的结温度进行对 比 通过 T E C改变 L D M 的温 度 利用 C O 气体在 1 5 8 m波段 的多个吸收谱线测量 激光的波长 采用温度调谐 的激光器 吸收光谱 实验 系统 如 图 3 所示 D F B激光器的注入电流 T E C驱动 电 流和热敏 电阻的工作 电流 0 1 m A 由激光控制器 I L X L D C 3 9 0 8 提供 信 号发生器提供 激光器 的调制信号 和 锁相放大器 的 z 厂 参考信号 在气体池 中充有浓度 1 的 C O 气体 经过气体吸收的信号与热敏 电阻的电压 一起 经模数转换后 由计算机处理 实验 中 环境温度 A T 为 2 9 6 2 5 K 压强 P 固定为 1 a r m 关 于此实验的详细 描述见文献 1 5 图3 温度调谐激光二极管吸收光谱实验装置简图 F ig 3 Sc h e ma t ic d ia g r a m o f t he t e mp e r a t u r e t u n in g TDLAS me a s ur e me nt s y s t e m 对 L D M 的 T E C施 加驱动电流 I T r 一1 A 温度 扫描的范围为 2 6 6 3 0 5 K 记录的 C O 气体 的波 长调制 2 次谐波 WMS 2 f 信号如 图 4所示 此调谐范 围共覆盖 了 8 个气体吸收线 这些 吸收线的准确 波长 由 H I T R A N f h ig h r e s o l u t io n t r a n s mi s s io n mo l e c u l a r a b s o r p t io n d a t a b a s e E l 6 谱库给 出 其准确度高于 0 1 p m 如表 3 第 2列所示 按照先验的 D F B激光器温度调谐特性 计算激 光器 的结温度值 如表 3第 3 列所示 表 3 D F B激 光器 结温度测量结果 比较 J T E c 一 1 0 A A T 2 9 6 2 5 K T a b l e 3 C o mp a r i s o n o f t h e j u n c t io n t e mp e r a t u r e s me a s u r e d wit h t wo d if f e r e n t me t h o d s c 一1 0 A A T 2 9 6 2 5 K 在此动态温度调谐过程 中 同时记录 N T C热敏电阻的 电压信号 将其转换为温度 并 由式 4 预测激光器的 结温度 两者动态结果如 图 5 所示 动态过程中结温度稍 高于热敏电阻的温度 且差值 随时间变化 对应 8 个 吸收 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 9期 李金义 等 利用热敏电阻精确测量 D F B激光器动态结温度 2 0 9 1 线处的结温度计算结果如表 3 第 4列所示 表 3的第 5列 给出了这 2 种方法得到的结温度的偏差 由此可知 利用 模型计算的动态温度的不确定度在 0 0 l K左右 之 窭 薹 图4 温度调谐 C O WMS 2 f 吸收信号 A T 2 9 6 2 5 K P 1 叭 1 0 P a Fig 4 W MS一 2f s ig na l o f CO2 in t e mp e r a t ur e t un ing A T 2 9 6 2 5 K P 1 0 1 1 0 P a 图5 热动态过程中的结温度和热敏电阻温度 F i g 5 J u n c t i o n t e mp e r a t u r e a n d t h e r mis t o r t e mp e r a t u r e in d y n a mic t h e rm a l p r o c e s s 将 T E C驱动 电流分别设 置为 一 0 9 A 一1 1 A和 一 1 2 A 其他实验条件不变 进行上述 的温度调谐实验 同时采集 C O 气体的WM S f 吸收信号和热敏电阻两端 电压信号 通过气体吸收线波 长推算 的结温度 与模 型计 算 的结温度的偏差在 0 0 1 K以内 实验结果 如表 4所 示 与表 3中 T E C电流为 一 1 A时的实验结果是一致 的 表 4 不同 T E C驱 动电流下激光器动态结温度测量偏差 T a b l e 4 T e a s u r e me n t d e v ia t i o n o f j u n c t i o n t e mpe r a t ur e s u nde r diffe r e nt TEC dr ive c ur r e nt s K 另外 通过这种方法 还测得 T D L A S系统在 电流调 谐过程 中的动态结温度 如 图 6所示 电流调谐 一般是 利用 T E C将 L D温度稳定在某个 固定值 使得 L D的输 出波长在 吸收线的中心附近 而后 向 L D注入锯齿波扫 描 电流 实验使用 同样 的激光器 利用激光控制 器将其 温度设置为 2 7 8 1 5 K 5 锯齿波电流频率为 4 H z 扫 描范围为 2 0 9 0 m A 如 图 6中上 图所示 由于激光器芯 片的焦耳热效应 其结温度将随注入电流 的变化而变化 因此 在 电流调谐动态过程中 L D温度并非恒定值 而是 由注入 电流 的热效应 和 T E C控 制共同作用所形成 的波 动过程 如 图 6中下图所示 在此 过程 中 激光器结温度 和热敏 电阻 的温度 有明显差别 电流扫描过程 中 L D结 温度的波动范围大于热敏 电阻的监测值 在一个 电流扫 描周期 内结温度变化量为 0 0 4 4 K 在温度 压力等参数 的测量 中 信 号特征 的变化 峰值位 置 线宽等 将 会直 接影 响测量 结果的准确性 因此 可以根 据 L D的瞬 态结温度变化对测得吸收谱线进行 校正 课题 组后续工 作将对此进行研究 时间 s n 0 n l 0 2 0 3 04 0 5 2 7 8 O 6 2 78 05 2 7 8 0 4 赠 2 7 8 0 3 2 7 8 0 2 0 0 0 0 2 0 3 0 4 0 5 时间 s 图6 电流调谐时的锯齿波扫描电流信号 上 图中点 画线所示 以及 同时测得 的 调谐过程中结温度信号 下图中虚线 和热敏电阻的温度信号 下图实线 Fig 6 S a wt o o t h s c a nn ing c u r r e n t o f t he LD d a s h d o t l i n e a b o v e t h e m e a s u r e d d y n a mi c j u n c t io n t e mp e r a t u r e d a s h l i n e b e l o w and t h e r mi s t o r t e m p e r a t u r e s o l id l i n e b e l o w i n c u r r e n t t u n i n g 4 讨 论 由 L D M结构可知 环境温度扰动影 响激光器结温度 时 其热量传输的通道为 L D M 封装外 壳一T E c 一载体一 激光器芯片 而通过 T E C改变激光器结温度的热传输 通 道为 T E C冷端一载体一激光器芯片 二者是非常相似 的 因此 T E C激励的验证实验具有代表性 L D M中 热敏电阻和 L D芯片置于同一载体上 它们 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 仪器仪表学报 第 3 3卷 承受相 同的 T E C热激励和环境温度 的影 响 二者温度差 异的稳态部分源于 L D器件的 自发热 动态的差异 则源 于二者热时间常数 的不 同 该预测方法 不仅适合于快速 温度变化 过程 也适 合 于温 度缓 慢变 化过 程 和热平 衡 状态 在 L D M热学等效 电路模型 中 L D结温度 的预测精 度与 T E C输出热量 的大 小 环 境温度等 因素无关 它们 的影响都已体现在热敏电阻的温度上 本模型成立的重要条 件是 热敏 电阻与激光器芯 片 要位于同一载体 这点对于集成有热敏电阻的大部分封 装形式 如 T O H H L C m o u n t B u t t e r f l y 等 本模型也具适 应性 只是模型参数的不同 5 结 论 在单片半导体激光器组件中 热敏电阻和激光器芯 片置于同一载体上 但是 由于 L D 自发热 热 阻的影 响 无论是热平衡状态还是温度 变化 过程 中 二者的温度都 不相 同 尤其在温度动态变化过程 中热敏 电阻的温度与 L D的结温偏差更大 本文 基于建立 的 L D结温 度和热 敏电阻温度 的热学模 型 通过 热敏 电阻 的温 度预测 L D 的结温度 并通过 实验验证 了模型 的准确性 激光器结 温度预测的不确定度为 0 0 1 K 文中还利用此方法测量 了电流调谐过程 中动态结温度 在一个锯齿 电流扫描周 期内结温度变化量为0 0 4 4 K 为气体吸收谱线的校正提 供了依据 基于热敏电阻的激光器结温度预测方法不需 要额外 的测量装置 可 以应用 于高精度的激光器温度控 制 激光器组件热学性能的研究等领域 另外 对于需要 高精度波长输出的场合 通 过激 光器结温度 的高精度测 量 借助于 L D的调谐 特性 可 以预估 其辐射 波长 以结 温度 0 0 1 K精度考虑 对于 D F B激光器的波长预测精度 在 1 p m量级 该方法特别适合于激光原位 在线应用系 统中对高可靠性和低成本 的要求 参考文献 1 P I P E K P R A M R J C o m p r e h e n s i v e h e a t e x ch a n g e mo d e l f o r a s e mi co n d u ct o r l a s e r d i o d e J I E E E P h o t o n ics T e ch n o l o g y L e t t e r s 2 0 0 3 1 5 4 5 0 4 5 0 6 2 R Y A B T S E V G I K U Z M I N A N G E S J A e t a1 T h e r ma l p r o p e r t ie s o f h ig h p o we r I n G a As A1 Ga As l a s e r d io d e s J J o u r n a l o f A p p l ie d S p e ct r o s co p y 1 9 9 5 6 2 5 9 0 o 9 O2 3 R Y U H Y H A K H C H A E J H e t a 1 M e asu r e m e n t o f j u n ct i o n t e mp e r a t u r e i n G a N b a s e d l a s e r d i o d e s u s in g v o l t a g e t e m p e r a t u r e ch a r a ct e ris t i cs J A p p l i e d P h y s ics L e t t e r s 2 0 0 5 8 7 9 0 9 3 5 0 6 4 L I U Y T C A O Q S O N G G F e t a 1 T h e j u n ct i o n t e rn p e r a t u r e a n d f o r w a r d v o l t a g e r e l a t io n s h ip o f Ga N b a s e d l a s e r d io d e J L a s e r P h y s i cs 2 0 0 9 1 9 3 4 0 0 4 0 2 5 K I R K U P L K A L C E F F W MC C R E D I E G E ff e ct o f i n j e ct i o n cu r r e n t o n t h e r e pea t a b i l it y o f l a s e r d i o d e j u n ct i o n v o l t age t e m p e r a t u r e m e asu r e me n t s J J o u r n a l o f A p p l i e d P h y s i cs 2 0 0 7 1 0 1 2 0 2 3 1 1 8 6 J E O N G J H K I M KC L E E JI e t a 1 J u n ct i o nt e m p e r a t u r e me a s u r e me n t o f I n As q u a n t u m d o t l a s e r dio d e s b y u t i l iz i n g v o l t age t e m p e r a t u r e m e t h o d J I E E E P h o t o n ics T e ch n o l o g y L e t t e r s 2 0 0 8 2 0 1 6 1 3 5 4 1 3 5 6 7 张玉燕 王玉田 刘辉 等 自混合干涉模型中的参数 分析和实验研究 J 仪器仪表学报 2 0 0 8 2 9 3 6 1 0 6 1 3 Z HANG Y Y W ANG Y T L I U H e t a1 Me a s u r e me n t p a r a me t e r an aly s is a n d e x p e r ime n t a l s t u d y o f L D s e lf mix i n g s y s t e m J C h i n e s e J o u r n al o f S cie n t i fic I n s t r u m e n t 2 0 0 8 2 9 3 6 1 0 61 3 8 陈伟根 周恒逸 黄会贤 等 基于半导体激光器的乙 炔气体光声光谱检测及其定量分析 J 仪器仪表学 报 2 0 1 0 3 1 3 6 6 5 67 0 CHE N W G Z H0U H Y HUANG H X e t a 1 D io d e l a s e r b a s e d p h o t o a co u s t ic s p e ct r o s co p y d e t e ct io n o f a ce t y l e n e g a s and i t s q u a n t i t a t iv e a n al y s i s J C h in e s e J o u rnal o f S ci e n t i fic I n s t r u m e n t 2 0 1 0 3 1 3 6 6 5 67 0 9 曹家年 张可可 王琢 等 可调谐激光吸收光谱学检 测甲烷浓度的新方案研究 J 仪器仪表学报 2 0 1 0 3 I 1 1 2 5 9 7 2 6