[发明专利]一种基于TEC温控的半导体激光器的温度仿真方法

摘要

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。

主权项

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)。