【经验】用于下一代光模块的微型热电制冷器（上篇）
在数据通信和通讯行业，光纤技术已经基本上取代了铜线。包括人工智能和机器学习在内的许多新兴应用需要更高数据传输速率，并支持更远距离的带宽，而所有这些都需要以更低成本实现。在许多应用中，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。
在本文中，我们将讨论通讯应用中常见的半导体激光器，以及微型热电制冷器（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。
01、技术简介
半导体激光器是光纤网络开发和延伸的重要组成部件。在光纤通信系统中，半导体激光器被用作经由光缆传输数据的光源。半导体激光器产生的光束可以很容易地耦合到光缆中，并能够在在光缆中以最小衰减或信号损耗进行远距离传输。
激光二极管由于其小尺寸、低能耗和高数据速率等优势而成为光电子应用的首选技术。半导体激光器是一种由砷化镓（GaAs）或砷化铟镓（InGaAs）等半导体材料制成的激光器，与使用气体或液体作为活性介质的其他类型激光器不同，半导体激光器使用固态材料来产生激光。
02、应用概述
半导体激光器可广泛应用于通讯、数据通信、激光雷达（LiDAR）、3D感测、医疗保健、增材制造、人脸识别等领域，根据Mordor Intelligence的数据，2020年全球半导体激光器市场总值为88.4亿美元，预计2026年将达到162.5亿美元，2021年至2026年的复合年增长率为11.2%。半导体激光器在通讯领域的一些常见应用包括：
· 可插拔光收发器：通常安装在收发器模块内，半导体激光器发射特定波长激光束，之后耦合到光缆中，用以提供远距离高速数据传输。
· 波分复用（WDM）系统：半导体激光器将多个光信号复用到一根光纤上，从而能够更高效地利用光纤带宽。
· 光放大器：半导体激光器用于增强光信号的强度，以便实现远距离传输。
03、通讯应用中半导体激光器类型
有几种类型半导体激光器通常适合于通讯应用。半导体激光器的选择取决于通讯应用的具体要求，需要在包括距离、数据速率、可用带宽、功耗、波长以及性能、成本和可靠性等指标之间权衡。
以下是通讯行业中半导体激光器应用示例：
· 法布里-珀罗（FP）半导体激光器：通常作为调制光信号的光源，用于光纤传输系统。
· 分布式反馈式（DFB）半导体激光器：使用光栅结构作为反馈机制来控制激光波长。DFB半导体激光器用于需要窄但却稳定的激光波长应用，例如光通信网络中的密集波分复用（DWDM）系统。
· 垂直腔表面发射激光器（VCSEL）：这是一种能够从半导体激光器表面垂直发射光的表面发射激光半导体激光器（SEL）类型。VCSEL用于需要低成本、高速和高效激光器的应用，如光通信系统、数据中心互连和光纤感测等。
· 相干半导体激光器：能够产生窄而稳定的线宽，适用于机器学习和大数据等应用中的相干光通信系统。
· 泵浦激光器：用于泵浦掺铒光纤放大器等光放大器，以便放大光信号；光纤通信中的海上光纤布线和中继站通常使用激光泵浦来增强信号。
04、半导体激光器封装
半导体激光器封装设计用于为半导体激光器提供密封、被动冷却以及光学和电气连接。选择何种封装类型取决于通讯应用具体要求，如功能、性能、环境条件和可用空间等。
通讯应用中常见的半导体激光器封装示例包括：
· 蝶形封装：以其独特的类似蝴蝶形状命名，这种紧凑而低成本封装通常包含一个金属外壳，可为半导体激光器提供机械支撑和冷却。
· TO罐封装：这是一种圆柱形封装，具有良好热性能和高机械稳定性。
· TOSA封装：采用一个发射器光学子组件将信号转换为光学信号，并耦合到光缆中。
· ROSA封装：一个接收器光学子组件从光纤接收光信号，并将其转换回电信号。
· BOSA封装：一个双向光学子组件，包含TOSA和ROSA。
· 尾纤封装（Pigtailed Package）：提供简单直接的光学连接，该封装包含一个半导体激光器，激光器安装在带有尾纤光纤的封装上。
· 多源协议（MSA）封装：旨在实现不同组件和系统之间的兼容性，使半导体激光器更容易集成到通讯网络。
05、半导体激光器性能
半导体激光器的性能受包括温度、电流和光功率在内的许多因素影响，温度波动会导致半导体激光器电学和光学特性变化，从而影响其性能。在高温下连续工作也会缩短设备使用寿命。
半导体激光器工作温度取决于几个因素，例如半导体激光器和封装类型、半导体激光器功率和工作条件等。为通讯应用设计的标准半导体激光器通常在-10～85℃之间特定温度范围内工作，而新型光学器件中的半导体激光器可以在更高温度下工作。在需要超过400Gb/s的新兴通讯应用中，需要采用新型光学器件，并具有扩展的最大温度范围。
如果工作温度超出最大范围，由于热阻增大和电流增益降低，半导体激光器性能可能会降低。这可能导致激光器输出功率降低和阈值电流加大。高温还会改变半导体激光器波长，影响其性能和可靠性。波长偏移是由半导体激光器中使用的半导体材料折射率变化而引起，在某些情况下，波长的严重偏移可能导致明显串扰（干扰），甚至半导体激光器故障。例如，光通信应用中的 DFB半导体激光器通常发射波长约为1260～1650nm的光，温度升高会导致峰值波长（向大波长方向）偏移约0.1nm/℃。
在较低温度下，由于热阻减小和电流增益增大，半导体激光器性能可以得到提升，这能够增大激光输出功率，减小阈值电流。然而，如果处在最低工作温度范围之外的低温，也会导致光子寿命缩短，复合损耗上升，内部损耗增加，这些会抵消热阻降低带来的好处。
温度波动导致的另一个问题是串扰，这种现象可以在需要高带宽和更远距离通信链路中看到。超大规模数据中心就是一个例子，它的光收发器采用波分复用，通过并行组合多个数据流来提高光纤数据吞吐量。（IEEE组件、封装和制造技术汇刊，2022年8月）
保持半导体激光器的工作温度稳定非常重要，这样可以保持恒定波长，消除串扰，并确保可靠性能，保持半导体激光器工作温度稳定可以通过采用热电制冷的温度控制系统来实现。
06、半导体激光器制冷挑战
当今的半导体激光器热管理比以往任何时候都更具挑战性。越来越多数据需要以更高速度传输，功率密度不断提高，而产品尺寸在不断缩小，这无疑会导致更高热通量密度。为了确保半导体激光器具有适当的性能和寿命，迫切需要有效的热管理解决方案。
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