【经验】用于下一代光模块的微型热电制冷器（下篇）

时间： 2023-08-12 来源：莱尔德热系统公众号

技术问答

数据通信和通讯行业的光纤技术应用中，温度稳定性能够提高光纤系统中至关重要的关键光电元件性能和寿命。本应用指南上篇：【经验】用于下一代光模块的微型热电制冷器（上篇）中介绍了通信应用中的半导体激光器技术及其面临的热管理挑战，这里Laird Thermal Systems为您介绍微型热电制冷器（TEC）如何为半导体激光器散热以便优化系统的整体性能。

微型热电制冷器能够给半导体激光器散热，并优化系统整体性能。

07、制冷方法

有几种方法可用于调节半导体激光器温度：

主动制冷：

在服务器或交换机级别的数据通信中，主动制冷需要使用制冷风扇、散热器、强制液体或热电制冷器来去除半导体激光器封装中的热量，一般是通过将半导体激光器连接到散热器，并使用风扇将半导体激光器产生的热量散到周围空气中来完成。热电制冷器（TEC）是一种通过将电能转换为热能的设备，可用来冷却或加热较小区域。热电制冷器可用于冷却半导体激光器，方法是把半导体激光器中产生的热量转移并散到光学封装，然后再将热量消散到周围环境。

被动制冷：

依靠自然对流或热传导来去除半导体激光器产生的热量。例如，散热器可连接到半导体激光器，以吸收和消散半导体激光器产生的热量。

温度控制电路：

通过调节半导体激光器电流和/或电压，电子电路可用来控制半导体激光器温度。温度控制电路可设计为将半导体激光器温度保持在恒定值，或者根据期望的工作条件来改变温。

08、超小型或者微型TEC

半导体激光器技术的发展也需要热管理解决方案的相应改进。

随着数据处理速率提高和连接点之间距离的增大，半导体激光器会产生更多热量。因此，半导体激光器封装需要具有更高热泵能力，以将热量从敏感电子器件转移到封装之外。为了将热量泵出，需要具有更高密度材料和更薄轮廓的微型TEC（Micro TEC，下图），以便提高效率，并保持精确的波长控制和温度稳定。

新型热电材料和高精度制造工艺是开发具有厚度更小的TEC的关键技术，它能够使半导体激光器在不影响热稳定性情况下以较小外形尺寸制造，还能够更有效地响应温度变化，这对于需要高效热控制响应的光通信系统等应用非常重要。更高效率可以提高半导体激光器性能和可靠性，从而实现更高数据传输速率。此外，还能够以大批量、较低成本制造微型TEC，帮助降低半导体激光器系统总体成本。

莱尔德热系统（Laird Thermal Systems）中的新型OptoTEC™ MBX系列是给半导体激光器恒定温度的理想选择。微型MBX系列比OTX系列体积更小，能够满足现代半导体激光器应用的多种要求，包括更小尺寸、更低功耗、更高可靠性和更低批量生产成本等。这些性能优势可以提高半导体激光器性能和可靠性，从而帮助实现下一代通讯应用的创新。

09、执行

实现温度恒定是设备运行的一个关键挑战。

例如，半导体激光器典型工作温度范围在25℃和85℃之间。如果处在85℃环境中，然后再冷却到25℃，设备将需要在60℃温差下都要达到几乎最高性能，同时只需最小热泵能力。虽然这些应用需要制冷，但所需散的热量必须通过封装中的低热阻传导路径有效完成。因而，应评估以下设计注意事项，以有效散除热量：

优化的TEC设计：

需要完全了解客户应用端的应用要求。可用通过优化几何系数和晶粒对数，以匹配半导体激光器散热要求以及被动热量损失。需要考虑热端和冷端热阻，因为它们会大大降低热电制冷器温差。

封装设计：

通常选择外形尺寸最小、价格最低的封装。然而，封装是关键的散热机制，可能不具有最佳的导热性。随着封装外形尺寸缩小，热通量密度增大，散热不良会导致热失控。这可以通过优化确定封装尺寸和材料的热导率来加以避免，以满足TEC和半导体激光器所需的总散热要求。

TEC和封装之间的界面：

TEC与封装之间的可焊性对于确保TEC适当散热至关重要。焊料粘附性差会导致出现焊料空洞间隙，这会增大热端热阻。需要在TEC陶瓷基板表面上确定合适的电镀材料，并要使用最佳焊料，以确保在焊料空隙最小情况下实现更薄的接合层，这样能够对提高TEC运行效率产生非常大的作用。

寄生损耗：

TEC热端和冷端之间的热短路可能导致被动热损耗。大多数封装都是在真空或某种气体条件下密封，因此可以最大限度地减小周围环境中被动热量造成的热损耗。然而，连接到TEC的导线和TEC冷端基板上的光学器件容易受到来自热端热传递的影响，这将导致TEC在达到所需同等级别制冷功率时消耗更多输入功率。理想情况是将TEC设计为在较低电流下工作，这可以降低导线的规格厚度，并减少来自导线的热传递。

一旦确定了主要设计参数，TEC就可以由温度控制电路进行控制，通过调节提供给TEC的电流大小能够将半导体激光器保持在期望的控制温度。其他需要考虑的参数还包括TEC基板材料和焊料结构。有些材料具有更高热导率和焊接附着力，这可以提高性能、散热和可靠性，但也需要根据最终用户应用的成本要求进行综合考虑，大多数应用无法在批量下采用具有更高成本的材料。

结论

光通信一直是半导体激光器技术发展的一个重要驱动力，半导体激光器在确保这些光通信系统的可靠性和稳定性方面发挥着重要作用。然而，温度波动会影响半导体激光器性能，维持稳定的温度以确保一致和可靠的性能非常重要。温度过高会降低性能，较低的温度虽然会提高性能，但也有光子寿命缩短等潜在缺点。通过在半导体激光器封装中采用微型TEC，可以优化半导体激光器性能和工作寿命。TEC具有高制冷功率、快速响应时间、紧凑尺寸、高能源效率、低能耗和易于进行温度控制等优点，是制冷半导体激光器的理想技术。

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全部评论（1）

zwjiang Lv9. 科学家 2024-02-05

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