半导体激光器温度特性研究

摘要：半导体激光器是功耗型有源器件，工作过程中的温升对其输出特性会有明显影响。采用热敏电阻作为温度敏感元件，对半导体激光器的温度变化特性进行了测试与分析。测试结果表明，自加热效应对半导体激光器的功率输出特性影响明显，其斜率效率的变化率为Δη=0.022V/℃。关键词：热敏电阻；线性输出；阻温特性+11概述半导体激光器的输出特性受其自加热效应影响较大。热敏电阻具有尺寸小、使用方便、稳定性好、灵敏度高等优点，其中NTC型热敏电阻具有宽泛的温度测量范围，成为日常测量监控中使用最广泛的热敏电阻器件。本文以表面测温系列NTC型热敏电阻为研究对象，首先实现了热敏电阻阻温特性的非线性修正，进而将其与半导体激光器相连接，对激光器的温度变化特性进行了测试与分析。2热敏电阻阻温特性非线性修正2.1热敏电阻阻温特性测试基于金属氧化物材料制成的NTC型热敏电阻具有典型的半导体性质。低温时，氧化物材料的载流子数目较少，热敏电阻阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，电阻值逐渐降低。室温下，NTC型热敏电阻的阻值变化范围为102~106欧姆，温度系数-2%~-6.5%。描述NTC型热敏电阻性能的参数主要有负温度系数(NTC)，额定零功率电阻值(R25)，零功率电阻值(RT)，材料常数(B)等。其中，R25为基准温度25℃时所测得的热敏电阻值，RT是温度T时的NTC热敏电阻值，其对应的表达式为：RT=RN·expB(1/T-1/TN)。式中，RN为在额定温度TN时的热敏电阻值。材料常数B亦为温度T的函数，其表达式为BTTLnR控制箱中，令温度上升，同时记录不同温度下输出电压V1和输出电压V2的数据。经计算，近似直线方程V2=0.4561T，当T=53℃时，V2=12.77V，而实际测得V2=12.53V。因此，线性化的百分比为1.88%，达到了预期的设计目标。另外，从实验数据可以看出，随着温度的升高，输出电压V2也随之线性增加。T=25℃时，V2=6.35V，至T=59℃时，V2上升至13.86V，由于测量使用的万用表的最小读数为0.01V，因此可知该温度传感装置的精度为0.045℃。3半导体激光器与热敏电阻的测试电路设计实验中选用的半导体激光器为西安赛朴林激光技术研究所生产的红光激光二极管650系列产品，它采用TO18型封装，中心波长λ=651.3nm，最大输出功率为5W，阈值电流Ith=25mA。考虑到该款半导体激光器内部集成了光电探测器，因此直接测量PD中的电流即可间接获取半导体激光器的光功率变化状态。而PD中的电流经电流/电压转换并放大后，以电压Vs输出。±iRRR-5图1线性补偿电路图2半导体激光器温度测试电路图3VS-I0的温度特性曲线图环节是必不可少的。4结论为了精确测量半导体激光器输出功率随温升的变化关系，修正热敏电阻的非线性阻温特性是必要的。光源输出功率温度变化特性的测试证明，激光器内部的自加热效应对光源输出功率的影响是明显的。而且，随着工作温度升高，光源的输出效率下降愈发明显。因此，必须提供可靠的温度控制以保证半导体激光器的可靠、稳定输出。参考文献[1]王德,李学千.半导体激光器的最新进展及其应用现状[J].光学与精密工程.2001,(3):279-283.[2]刘明大,史素娇.有机半导体激光器研究的新进展[J].半导体光电.1999,(4):221-225.[3]何友军.半导体激光器的热特性及封装技术研究[D].上海:中国科学院研究生院(上海微系统与信息技术研究所),2003,1:25-29.[4]易啸涛.热敏电阻测温线性化补偿电阻的最优选择[J].矿业研究与开发.1994,(3):34-47.[5]黄德修,刘雪峰.半导体激光器及其应用[M].TTR式中，RT1和RT2分别为温度T1和T2时的零功率电阻值。为配合今后的半导体激光器工作温度监测，我们选取表面测温系列温度传感器R25(R25=10.0kΩ，B25/50=3550K)作为实物测试对象。为了令其不受环境温度的变化影响，我们将其置于五环R-4型高低温控制箱中，观察不同温度下热敏电阻的阻值变化情况。测试过程中，首先将热敏电阻放入实验箱并固定，导线端引到箱外与万用表电阻计连接，电阻计量程选择20kΩ。温度测量范围是25℃~80℃。然后，令高低温控制箱开始升温，同时记录箱内温度变化与对应的电阻值。为提高实验测量准确性，先后测量升温过程中热敏电阻阻值变化三次。实验测得随着温度上升，热敏电阻的阻值呈指数关系下降。2.2热敏电阻阻温特性非线性修正特别地，设定T0=25℃，B=3550K，则对于如图1所示的线性补偿电路中，各参量的值近似为R1=0.43kΩ，R2=5.6kΩ，R3=5.6kΩ，R4=6.8kΩ，R5=20kΩ。线性补偿电路中所选择的运进一步地，选取表面测温系列热敏电阻对半导体激光器的温度变化进行检测。由于激光器的外径为3.8mm，而热敏电阻内径为4.3mm，因此用一塑料夹子将二者固定，以达到实验所要求的充分接触。对应地，半导体激光器温度测试电路如图2所示。依据前面所得到的结果，热敏电阻线性化后的输出电压V2与温度变化成线性关系，所以可以用V2来表征激光器的温度变化状态。进而，得到光功率随温度变化的规律。实验中，我们分别选取25℃、29℃和33℃三个测量点进行观察监测。由图3易知，随着工作温度的增加，半导体激光器内部的结温升高，自由载流子的吸收损耗增加，复合效率下降，从而导致激光器的输出功率逐渐降低。数值结果上，25℃时，激光器的斜率效率η=0.7355V/mA；当温度升高至29℃时，η=0.6767V/mA；当温度为33℃时，η则降低至0.5585V/mA。换言之，斜率效率的变化率为[RRfile:///D|/我的资料/Desktop/新建文本文档.txtApplianceError(configuration_error)Yourrequestcouldnotbeprocessedbecauseofaconfigurationerror:CouldnotconnecttoLDAPserver.Forassistance,contactyournetworksupportteam.file:///D|/我的资料/Desktop/新建文本文档.txt2012-07-1220:42:52