作者：鲁鹏程，崔碧峰，郭伟玲，邹德恕，沈光地

     摘要：介绍了ANSYS有限元软件在半导体激光器热特性模拟中的应用，计算了一个单量子阱980nm半导体激光器在脉冲下的瞬态热分布图，结果表明使用ANSYS软件进行热分析可以做到模型建立便捷，施加载荷直观，求解速度快，图形显示功能强大，可以推广到各类半导体激光器件的热学特性分析中去。关键词：ANSYS 有限元软件；半导体激光器；热特性中图分类号：TN248.4 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2004)04-0045-031 引言在实际生产过程中，经常会遇到各种热量传递问题，如计算某个系统或部件的温度分布、热梯度、热应力、相变等。这些问题所涉及的部门包括能源、化工、建筑、电子、船舶、农业等诸多领域。ANSYS作为新颖的有限元分析软件在处理热分析问题方面具有强大的功能，而且在涉及热学特性的多物理场耦合分析中也具有很好的处

     理能力。热特性是半导体激光器的关键特性。由于温度升高必然带来半导体激光器阈值电流增加、发射波长红移，造成模式的不稳定，同时还增加了内部缺陷，对器件的寿命有严重影响。因此，对半导体激光器热特性的研究是一个很有意义的课题。对于热学特性的计算通常是找出物理模型合理的边界条件，利用有限差分、有限元等数值方法来求解热传导方程。但是对于复杂的问题编程来实现的话，不仅费时费力，而且程序缺乏通用性，ANSYS模拟软件的引入为我们解决工程应用中的问题带来了极大的便利。本文利用ANSYS有限元软件，模拟了半导体激光器中在正装与倒装两种封装形式下的瞬态热学特性。结果表明，使用ANSYS软件在模拟中具有精度高、图形显示功能强大等优势，可以模拟包括FP腔、垂直腔面发射在内的多种半导体激光器的热学特性。2 物理模型先模拟一个单量子阱980nm半导体激光器在脉冲工作下的瞬态热分布，图1是该器件的结构示意图。瞬态温度场的场变量了(x,y,z)在直角坐标系中应满足的微分方程：针对我们的结构作了一些假设：(1)假定电注入与热流密度在谐振腔方向均因此每层的方程变为一个二维方程(2)假设热沉的热容量相对管芯为无限大，其温度在脉冲电流注入期间保持恒定，等于环境温，即而在其他边界我们仅考虑对流换热，因此这些边界满足的条件是：(3)热源主要分为以下几部分：①在工作状况下，有源区中会产生极大的载流子密度和光子密度，会有大量的非辐射复合、辐射吸收以及自发辐射吸收，因此会产生大量的热，有源区内部热用下式表示[3]dactive为有源区的厚度，Vj为pn结上的电压降，j为注入电流密度，jth为阈值电流密度，ηsp为自发发射内量子效率，ηi为受激辐射内量子效率，fsp为自发辐射光子从有源区逃逸因子。②其他层的热源都是焦耳热的形式中ρj代表每一层的电阻率。P面合金层中的热产生率用接触电阻表示3 ANSYS建模通过上面的工作我们可以选取ANSYS软件中的多物理场模块进行瞬态热分析，单元选择plane55，每个节点的自由度是温度。3．1 几何模型的建立ANSYS提供了三种创建有限元模型的方法：实体建模方法，直接建模方法，导入其他CAD工具中创建的模型。实体建模方法能够直接和模型的几何特性打交道，无需关注有限元模型的几何特征如节点、单元。实体模型建立后，再对它进行网格划分生成有限元模型。所有施加到几何实体边界上的载荷或约束最终传递到有限元模型上(节点或单元上)进行求解，因此对于大多数问题选取实体建模比较适宜。由于半导体激光器的几何图形较为规则，这里主要采用实体建模中的自顶向下的方法进行建模。在使用ANSYS模拟中有几个关键步骤：(1)由于只考虑二维问题，先生成每一层的面，考虑到器件尺寸较小，单位统一选取为微米制;(2)在设置单元属性时由于材料特性是温度的函数，我们可以利用ANSYS软件中的MP命令设置材料参数与温度的关系，多项式系数在表1中给出；(3)通过RECTNG命令构建每一层，然后使用AGLUE命令将所有的面粘贴在一起，再使用NUMCMP命令压缩面与线的编号，以便在施加载荷时可以很容易找到目标：(4)在划分网格时，由于有源区处的温度分布是我们比较关注的，因此划分时应该让网格尽可能的小。其他区域在保证不影响精度的情况下可以适当地选取间距比率系数，这主要通过调整LESIZE命令中的SPACE值来实现。3．2 施加载荷及求解根据上面设定的边界条件，通过相应的命令进行加载，求解器选择雅克比共扼迭代法求解。最后用相应的命令来查看载荷施加情况，以检查所要求解问题的正确性。4 结果分析与讨论我们对一个电极条宽为50μm,腔长为500μm的单量子阱半导体激光器进行了计算,结构参数和材料参数见表1。其中热传导系数、比热是由对文献[2]中的公式进行多项式拟和得宋。计算中选取f=0.4,ηi=0.9,ηsp=0.66,Vj=1.97,Ith=160mA,I=500mA,环境温度选取300K，对流交换系数选取23．3 W／(m2·K)。图2是在倒装情况下达到稳态时管芯内部热分布；图3是在正装情况下达到稳态时管芯内部热分布。可明显看到在这两种封装情况下，热流都由有源区向两侧扩展，且有源区温度保持最高，其中正装情况下有源区温升相对较高。图4和图5是两种组装下有源区内温度随时间的变化关系。可以看到相对于正装情况下，倒装时有源区达到稳态时间更短。分析原因是由于倒装时，有源区更加靠近热沉，工作时产生的热量可以迅速通过热沉散去；而在正装下有源区与热沉之间有100μm的衬底，仅能通过其表面与空气以对流方式散热，因此热量不易散去，这也是半导体激光器主要采用倒装的原因。

     ANSYS有限元软件处理半导体激光器热分布有以下优势：模型建立便捷、施加载荷直观、求解速度快、图形显示功能强，可以推广到各类半导体激光器件的热学特性分析中去。