强激光与粒子束
2024, 36(2): 025019
1 中国工程物理研究院 高能激光科学与技术重点实验室,四川 绵阳 621900
2 中国工程物理研究院 应用电子学研究所,四川 绵阳 621900
结温升高是影响主控振荡放大(MOPA)半导体激光芯片输出功率的重要因素,为解决MOPA芯片的多电极封装和高效散热问题,提出了一种正装和热扩散辅助次热沉相结合的封装结构。建立了该封装结构的3D热模型,对比研究了倒装封装结构、正装无辅助次热沉结构与正装有辅助次热沉结构对MOPA半导体激光器结温的影响。计算结果表明,采用正装有辅助次热沉结构与倒装封装结构散热性能接近,且显著优于正装无辅助次热沉结构,结温降低幅度最高可达40%。另外,采用正装有辅助次热沉封装结构的MOPA半导体激光芯片在连续工作条件下输出功率为10.5 W,谱宽可实现半高全宽小于0.1 nm,中心波长随电流的变化约14 pm/A,实现了10 W级MOPA芯片的封装,验证了该封装结构的有效性。
锥形半导体激光器 热设计 封装结构 热沉 master oscillator power amplifier diode laser thermal design package structure heat sink 强激光与粒子束
2023, 35(5): 051001
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室,上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室,上海 200083
3 中国科学院大学,北京 100049
电阻阵列的封装需求向着集成度高、大功率、深低温方向发展。为了满足130 K以下低温工作、稳态功率100 W以上的深低温应用需求,提出了一种利用液氮进行制冷的集成封装结构,并利用有限元仿真和实测验证相结合的方法验证了装置的制冷能力。结果表明,热沉钼与陶瓷电极板的厚度均为2 mm的情况下,加热功率在0.1~192.76 W区间内,有限元仿真得到的温度与实测温度最大误差小于7.67%,引起误差的主要原因是封装结构件的体热阻及界面热阻随温度发生变化而仿真时采用恒定热阻。结构能够在加热功率小于211.90 W的工况下正常工作。在设计的100 W稳定加热工况下,芯片衬底温度不高于101.9 K,热应力为5.66 MPa,满足设计要求。
有限元仿真 电阻阵列 封装结构 温度分布 finite element simulation resistor array package structure temperature distribution 红外与激光工程
2022, 51(8): 20210721
1 海军工程大学兵器工程学院,湖北 武汉 430033
2 中国人民解放军91388部队,广东 湛江 524002
3 中国人民解放军92578部队,北京 100161
为了探究膜片封装光纤激光水听器中光纤激光器产生弯曲振动的机理,首先基于梁的横向振动理论建立了光纤激光器弯曲振动模型,之后根据实际的封装结构进行了有限元仿真,分析了光纤激光器的固有频率与光纤激光水听器频响之间的定量关系,最后批量封装了光纤激光水听器,进行实验验证。仿真及实验结果表明:光纤激光器两端采用一体化硬固定方式易使光纤激光器发生弯曲振动;当光纤激光器的一阶固有频率落在工作频段内时,在谐振峰附近,光纤激光器的中心波长发生非均匀漂移,此时在远离谐振峰的频段内,水听器频响的平均值约为-135 dB,谐振峰值约为-125 dB。本研究为光纤激光水听器封装工艺的后续改进提供了参考。
光纤光学 膜片封装结构 弯曲振动 光纤激光水听器 预应力
1 中国工程物理研究院 高能激光科学与技术重点实验室,四川 绵阳 621900
2 中国工程物理研究院 应用电子学研究所,四川 绵阳 621900
为降低半导体激光芯片的慢轴远场发散角,提高其慢轴方向的光束质量,设计了横向热流抑制的封装结构。利用热沉间的物理隔离,削弱了半导体激光芯片慢轴方向上的温度梯度,有效降低了半导体激光芯片慢轴方向的发散角。采用热分析模拟了不同封装结构下芯片发光区的温度分布,并对波长915 nm的窄条宽半导体激光芯片进行封装。实验结果表明,在工作电流15 A,封装在隔离槽长4 mm,脊宽120 μm刻槽热沉上的芯片,其慢轴远场发散角由12.25°降低至10.49°,相应的光参量积(BPP)由5.344 mm·mrad 降低至4.5763 mm·mrad,慢轴方向亮度提升了约5.5%。实验结果表明,横向热流抑制的封装结构可以有效地削弱半导体激光芯片慢轴方向上由热透镜效应引起的高阶模激射,从而降低其慢轴远场发散角。
半导体激光器 慢轴发散角 封装结构 横向热流抑制 diode laser slow axis divergence angle package structure lateral heat flow suppression 强激光与粒子束
2021, 33(2): 021003
长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室, 吉林 长春 130022
为使边发射高功率单管半导体激光器有源区温度降低, 增加封装结构的散热性能, 降低器件封装成本, 提出一种采用高热导率的石墨片作为辅助热沉的高功率半导体激光器封装结构。利用有限元分析研究了采用石墨片作辅助热沉后, 封装器件的工作热阻更低, 散热效果更好。研究分析过渡热沉铜钨合金与辅助热沉石墨的宽度尺寸变化对半导体激光器有源区温度的影响。新型封装结构与使用铜钨合金作为过渡热沉的传统结构相比, 有源区结温降低4.5 K, 热阻降低0.45 K/W。通过计算可知, 激光器的最大输出功率为20.6 W。在研究结果的指导下, 确定铜钨合金与石墨的结构尺寸, 以达到最好的散热效果。
半导体激光器 散热性能 石墨辅助热沉 有限元分析 封装结构 high powder semiconductor laser heat dissipation graphite heat sink finite element analysis package structure
1 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所 大气成分与光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
利用动态数据交换通信技术对Tracepro软件进行了二次开发。提出通过使用动态数据交换通信协议中的连接、发送、请求等通用方法, 实现二次开发软件传输脚本到Tracepro中仿真, 以及调取仿真结果返回二次开发软件的功能。在软件中可以实现模型自动生成、参数自动配置、自动仿真、优化分析等功能, 提高了设计效率。以设计LED杯型建模仿真软件的设计为例, 在软件中实现了与Tracepro交互, 完成了LED快速建模、设计及仿真。
应用光学 动态数据交换 封装结构 applied optics dynamic data exchange Tracepro Tracepro LED LED packaging-structure
1 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所 大气成分与光学重点实验室,安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学,安徽 合肥 230026
为了提高表面贴片封装(SMD)发光二极管(LED)封装结构的封装效率,根据LED的光学结构和性质,建立了简化的SMD LED封装结构模型,并实现了LED封装结构的连续自动生成、仿真和优化。仿真结果表明:在色温相同的条件下,光通量和辐射通量呈线性关系,侧壁的改变会造成白光光通量先增加后减少的趋势。通过对3款不同侧壁张角的LED进行测试,测试结果与仿真结果光通量趋势相同,并得到了对于这种封装方式的最佳侧壁张角为60°的结论,验证了仿真的正确性。
发光二极管 表面贴片封装 封装结构 发光效率 light emitting diodes surface mount package packaging-structure optical simulation
1 中国科学院大学, 北京 100049
2 中国科学院 微电子研究所, 北京 100029
3 华进半导体封装先导技术研发中心有限公司, 无锡 214135
4 西安微电子技术研究所, 西安 710065
为了提高硅基光栅耦合封装结构的耦合效率、增大容差范围, 对光栅耦合的结构特性进行了理论分析, 并采用时域有限差分法完成了仿真验证, 在不改变光栅参量的基础上, 对光栅耦合封装结构进行了改进, 仿真建立了一款光栅上方和光纤端面分别增加透镜的优化结构,研究了影响耦合效率的因素。结果表明, 增加透镜后, 耦合效率有所增加, 角度容差和带宽都有一定的优化; 在衬底增加反射镜后, 对波长1550nm的光耦合效率提高至73.809%。该研究结果可为光栅耦合的封装结构设计提供参考依据。
光栅 封装结构 时域有限差分法 耦合效率 透镜 gratings packaging structure finite-difference time-domain method coupling efficiency lens