作者：魯鵬程，崔碧峰，郭偉玲，鄒德恕，沈光地
摘要：介紹了ANSYS有限元軟件在半導(dǎo)體激光器熱特性模擬中的應(yīng)用，計(jì)算了一個(gè)單量子阱980nm半導(dǎo)體激光器在脈沖下的瞬態(tài)熱分布圖，結(jié)果表明使用ANSYS軟件進(jìn)行熱分析可以做到模型建立便捷，施加載荷直觀，求解速度快，圖形顯示功能強(qiáng)大，可以推廣到各類半導(dǎo)體激光器件的熱學(xué)特性分析中去。

關(guān)鍵詞：ANSYS 有限元軟件；半導(dǎo)體激光器；熱特性

中圖分類號：TN248.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-353X(2004)04-0045-03

1 引言

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會遇到各種熱量傳遞問題，如計(jì)算某個(gè)系統(tǒng)或部件的溫度分布、熱梯度、熱應(yīng)力、相變等。這些問題所涉及的部門包括能源、化工、建筑、電子、船舶、農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域。ANSYS作為新穎的有限元分析軟件在處理熱分析問題方面具有強(qiáng)大的功能，而且在涉及熱學(xué)特性的多物理場耦合分析中也具有很好的處
理能力。

熱特性是半導(dǎo)體激光器的關(guān)鍵特性。由于溫度升高必然帶來半導(dǎo)體激光器閾值電流增加、發(fā)射波長紅移，造成模式的不穩(wěn)定，同時(shí)還增加了內(nèi)部缺陷，對器件的壽命有嚴(yán)重影響。因此，對半導(dǎo)體激光器熱特性的研究是一個(gè)很有意義的課題。

對于熱學(xué)特性的計(jì)算通常是找出物理模型合理的邊界條件，利用有限差分、有限元等數(shù)值方法來求解熱傳導(dǎo)方程。但是對于復(fù)雜的問題編程來實(shí)現(xiàn)的話，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且程序缺乏通用性，ANSYS模擬軟件的引入為我們解決工程應(yīng)用中的問題帶來了極大的便利。本文利用ANSYS有限元軟件，模擬了半導(dǎo)體激光器中在正裝與倒裝兩種封裝形式下的瞬態(tài)熱學(xué)特性。結(jié)果表明，使用ANSYS軟件在模擬中具有精度高、圖形顯示功能強(qiáng)大等優(yōu)勢，可以模擬包括FP腔、垂直腔面發(fā)射在內(nèi)的多種半導(dǎo)體激光器的熱學(xué)特性。

2 物理模型

先模擬一個(gè)單量子阱980nm半導(dǎo)體激光器在脈沖工作下的瞬態(tài)熱分布，圖1是該器件的結(jié)構(gòu)示意圖。瞬態(tài)溫度場的場變量了(x,y,z)在直角坐標(biāo)系中應(yīng)滿足的微分方程：

針對我們的結(jié)構(gòu)作了一些假設(shè)：

(1)假定電注入與熱流密度在諧振腔方向均因此每層的方程變?yōu)橐粋�(gè)二維方程

(2)假設(shè)熱沉的熱容量相對管芯為無限大，其溫度在脈沖電流注入期間保持恒定，等于環(huán)境溫，即

而在其他邊界我們僅考慮對流換熱，因此這些邊界滿足的條件是：

(3)熱源主要分為以下幾部分：

①在工作狀況下，有源區(qū)中會產(chǎn)生極大的載流子密度和光子密度，會有大量的非輻射復(fù)合、輻射吸收以及自發(fā)輻射吸收，因此會產(chǎn)生大量的熱，有源區(qū)內(nèi)部熱用下式表示[3]

dactive為有源區(qū)的厚度，Vj為pn結(jié)上的電壓降，j為注入電流密度，jth為閾值電流密度，ηsp為自發(fā)發(fā)射內(nèi)量子效率，ηi為受激輻射內(nèi)量子效率，fsp為自發(fā)輻射光子從有源區(qū)逃逸因子。

②其他層的熱源都是焦耳熱的形式

中ρj代表每一層的電阻率。

P面合金層中的熱產(chǎn)生率用接觸電阻表示

3 ANSYS建模

通過上面的工作我們可以選取ANSYS軟件中的多物理場模塊進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，單元選擇plane55，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的自由度是溫度。

3．1 幾何模型的建立

ANSYS提供了三種創(chuàng)建有限元模型的方法：實(shí)體建模方法，直接建模方法，導(dǎo)入其他CAD工具中創(chuàng)建的模型。實(shí)體建模方法能夠直接和模型的幾何特性打交道，無需關(guān)注有限元模型的幾何特征如節(jié)點(diǎn)、單元。實(shí)體模型建立后，再對它進(jìn)行網(wǎng)格劃分生成有限元模型。所有施加到幾何實(shí)體邊界上的載荷或約束最終傳遞到有限元模型上(節(jié)點(diǎn)或單元上)進(jìn)行求解，因此對于大多數(shù)問題選取實(shí)體建模比較適宜。

由于半導(dǎo)體激光器的幾何圖形較為規(guī)則，這里主要采用實(shí)體建模中的自頂向下的方法進(jìn)行建模。在使用ANSYS模擬中有幾個(gè)關(guān)鍵步驟：

(1)由于只考慮二維問題，先生成每一層的面，考慮到器件尺寸較小，單位統(tǒng)一選取為微米制;

(2)在設(shè)置單元屬性時(shí)由于材料特性是溫度的函數(shù)，我們可以利用ANSYS軟件中的MP命令設(shè)置材料參數(shù)與溫度的關(guān)系，多項(xiàng)式系數(shù)在表1中給出；

(3)通過RECTNG命令構(gòu)建每一層，然后使用AGLUE命令將所有的面粘貼在一起，再使用NUMCMP命令壓縮面與線的編號，以便在施加載荷時(shí)可以很容易找到目標(biāo)：

(4)在劃分網(wǎng)格時(shí)，由于有源區(qū)處的溫度分布是我們比較關(guān)注的，因此劃分時(shí)應(yīng)該讓網(wǎng)格盡可能的小。其他區(qū)域在保證不影響精度的情況下可以適當(dāng)?shù)剡x取間距比率系數(shù)，這主要通過調(diào)整LESIZE