使用可变热阻抗对半导体激光器的波长进行温度调谐
专利汇可以提供使用可变热阻抗对半导体激光器的波长进行温度调谐专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 阐述一种设备，其中可通过将 激光器 本身所产生的热量与一可调 热阻抗 散热 器结合使用来将一 半导体 激光器(或其它装置)的 温度 设定至一期望值以实现所期望的温升。，下面是使用可变热阻抗对半导体激光器的波长进行温度调谐专利的具体信息内容。
1、一种用于对一半导体激光器的一波长进行调谐的设备，其包括：
一半导体激光器，其中所述半导体激光器所产生的一光束的一波长作为所述半导体激 光器的一温度的一函数而变化；
一热耦合至所述半导体激光器的散热器，所述散热器具有一可调热阻抗；及
一用于调整所述散热器的所述热阻抗以将所述光束的所述波长保持在一给定波长的 控制器。
2、如权利要求1所述的设备，其中所述半导体激光器的所述温度主要取决于由所述 半导体激光器所产生的热量及所述散热器的所述热阻抗。
3、如权利要求1所述的设备，其中所述半导体激光器不是由一外部装置主动地加热 或冷却来使所述光束的所述波长保持为一给定波长。
4、如权利要求1所述的设备，其中所述半导体激光器所产生的热量的传递主要通过 所述散热器进行。
5、如权利要求1所述的设备，其中所述散热器包括：
一热耦合至所述半导体激光器的第一散热器部分；及
一能够以可切换方式热耦合至所述第一散热器部分或与所述第一散热器部分去耦的 第二散热器部分，其中所述控制器通过调整所述第二散热器部分至所述第一散热器部分的 所述热耦合的一工作循环来调整所述散热器的所述热阻抗。
6、如权利要求5所述的设备，其进一步包括：
一致动器，其用于接通并断开所述第一散热器部分与所述第二散热器部分之间的机械 接触，从而以可切换方式将所述第一散热器部分与所述第二散热器部分热耦合及去耦。
7、如权利要求6所述的设备，其中所述致动器包括一螺线管。
8、如权利要求7所述的设备，其中所述螺线管闩锁在一接触位置及/或一非接触位置 上。
9、如权利要求1所述的设备，其中所述散热器包括：
一热耦合至所述半导体激光器的第一散热器部分；及
一与所述第一散热器部分热接触的第二散热器部分，其中所述热接触的一面积在一面 积范围内连续可调且所述控制器通过调整所述热接触的所述面积来调整所述散热器的所 述热阻抗。
10、如权利要求9所述的设备，其进一步包括：
一形成所述热接触面积的可变形材料。
11、如权利要求10所述的设备，其中所述可变形材料为一液体。
12、如权利要求10所述的设备，其中所述可变形材料在形状上为球形。
13、如权利要求1所述的设备，其中所述散热器包括：
一第二散热器部分；及
一将所述半导体激光器热耦合至所述第二散热器部分的第一散热器部分，其中所 述第一散热器部分在其他情况下由局部填充有空气的玻璃进行隔热。
14、如权利要求1所述的设备，其中所述散热器包括：
一热耦合至所述半导体激光器的第一散热器部分，其中所述第一散热器部分为一 集成式组合件的部分，所述集成式组合件还包括用于与所述半导体激光器进行电连接的 导电迹线；及
一能够以可调整方式热耦合至所述第一散热器部分的第二散热器部分。
15、如权利要求14所述的设备，其中所述第一散热器部分包括一挠性电路的一铜层。
16、如权利要求1所述的设备，其中所述光束的所述波长在一波长范围内可调。
17、如权利要求16所述的设备，其中所述波长范围跨越至少1.0nm。
18、如权利要求1所述的设备，其进一步包括：
一辅助加热器，其中所述控制器启动所述加热器以对所述半导体激光器进行初始 加热。
19、如权利要求1所述的设备，其进一步包括：
一辅助加热器，其中所述控制器启动所述加热器以对所述半导体激光器进行补充 加热。
20、如权利要求19所述的设备，其中所述辅助加热器包括一电阻式加热器。
21、如权利要求1所述的设备，其中所述控制器包括一处理器。
22、如权利要求1所述的设备，其进一步包括：
一用于感测所述半导体激光器的一温度的温度传感器，其中所述控制器耦接至所 述温度传感器并对所述散热器的所述热阻抗进行调整以使所述半导体激光器的所述温 度保持在一对应于所述给定波长的温度。
23、如权利要求1所述的设备，其进一步包括：
一用于感测所述光束的一波长的波长传感器，其中所述控制器耦接至所述波长传感器 并调整所述散热器的所述热阻抗，以使所述光束的所述波长保持在所述给定波长。
24、一种用于控制一半导体激光器的一温度的设备，其包括：
一半导体激光器；
一热耦合至所述半导体激光器的散热器，所述散热器具有一可调热阻抗；及
一用于调整所述散热器的所述热阻抗以使所述半导体激光器的所述温度保持在 一给定温度的控制器。
25、如权利要求24所述的设备，其中所述给定温度在一为至少1℃的温度范围 内可调。
技术领域
本发明大体而言涉及主要通过被动式机理进行的装置温度控制，例如其可用于通 过改变半导体激光器的温度来调整半导体激光器的波长。
背景技术
在这两种情况下，所述温度变化方法均消耗大量的电能。在为热电冷却器的情况 下，所述珀尔帖效应的效率有限且为进行冷却所需的电能消耗通常为激光器中所消耗 电能的几倍。当所述热电冷却器用作一加热器时，其大致与电阻器一样有效。虽然加 热因此可比冷却在功率上更为有效，但仍必需供给大量的电能。这是因为通常不需要 在高温下运行激光器。为了避免此种运行，激光器通常安装成使对一适当散热器的热 阻抗较小。因此，为了从一靠近激光器定位的加热器获得一显著的附加温升，必需产 生使所产生热量的数量级显著大于由激光器所产生的热量。如果所述加热器相对于热 流位于激光器的下游，则情况甚至更糟，因为在此种情况下，所述散热器的热阻抗甚 至更小且必须产生更多热量来实现相同的温升。
在其中功率消耗是一重要问题的情形中—如果所述装置靠一规格不大的电池运 行很长时间，则所必须提供的用于进行温度调谐的附加功率可能令人无法接受。
除功率消耗问题之外，靠近激光器部署加热器可能在实际上并不方便。如果成本 是一很重要的考虑因素且需要使用大量的标准部件(例如光盘(CD)激光器)，则可 能必需拆开封装来添加加热器。因此，需要将能够在不拆开可容易采购的激光器的封 装的情况下对激光器进行温度调谐的方法。
第5,371,753号美国专利揭示一种其中激光二极管散热器的热阻抗在激光器的接 通循环期间发生变化的设备。所述变化是通过使用一金属结构及一空气隙实现的，此 金属结构根据其尺寸在所述激光器变热时打开，并在温度达到所需值范围时关闭。所 述关闭是通过因温度变化而引起的可逆变形(例如可使用形状记忆合金金属来获得) 实现的。虽然此方法可允许激光器达到一特定温度范围，但尚没有可用以显著改变或 精确控制最终所达到的温度的构件。所述热阻抗在装置运行期间是不可调整的。所述 热阻抗是在所述装置制造期间得到固定的，而此又使所述温度范围固定不变。
第6,243,404号美国专利揭示一种可在一温度范围内进行调谐并可在制造期间选 择不同温度范围的激光器模块。通过如下方式选择温度范围：在所述激光器与最终散 热器之间插入具有已知热阻抗的间隔物，以使所述激光器温度可在环境温度以上升高 一固定的已知量。然后，一辅助控制机构(例如一热电冷却器)可在一邻近基准激光 器温度的范围内调整激光器温度。在此方法中，所述热阻抗(且因此所述基准激光器 温度)是在装置制造时选定并在此后固定不变。因此，以后无法通过热阻抗变化来进 一步调整温度且此方法依赖于前面所述的冷却或加热方案(结果使其效率低下)来实 现装置运行期间所需的温度调整。
因此，需要以一种消耗少于当前方法的能量的方式来控制诸如半导体激光器等装 置的温度。
发明内容
在一应用中，此方法用于对半导体激光器的波长进行可控调谐。使用所述激光器 本身所产生的热量—这是其进行发射的副产物—使所述激光器的温度升高一可使用可 变热阻抗来进行调整的量。由此，借助波长随温度的变化将所述激光器的波长调整至 所期望的值。
在一实施方案中，所述整个散热器具有两个部分。其中一个部分热耦合至所述激 光器而另一个部分充分耦合至环境中。这两个部分可彼此热耦合或去耦且其耦合达一 取决于所需热流的平均时间。可使用闩锁式继电器以低的附加功率消耗来实现所需耦 合/去耦。当所述散热器的这两个部分不彼此耦合时，所述半导体激光器的温度将因所 述激光器本身所产生的热量而上升。当获得所期望的温度时，这两个散热器部分将彼 此耦合达到适于产生一平均热阻抗的时间部分，此与所述激光器热量相结合地使温度 稳定在所需点上。
在一替代设计中，这两个散热器部分彼此热接触但接触面积可调，从而改变总体 热阻抗。例如，接触面积可取决于一可变形材料或液体，因而可对所述可变形材料或 液体进行调整以改变所述接触面积。
可在所述激光器组合件上部署一辅助加热器(例如电阻式加热器)，以缩短达到 一更高温度所需的时间。此可在能量损失微乎其微的情况下进行，因为所述加热器只 在升温期间(或当需要其它显著的温升时)才接通并可随后断开。
也可使用不同的控制机构。在一种方法中，在所述激光器组合件上部署一温度传 感器以便能够以一闭环控制形式运行所述系统，一控制器耦接至所述温度传感器并调 整所述散热器的热阻抗以保持一给定温度。在一替代方法中，使用一波长传感器自所 述激光器的输出端提供直接反馈。一控制器对所述散热器的热阻抗加以调整以保持一 给定波长。控制器还可以一开环方式运行所述散热器。
此方法的一优点在于所述温度控制主要是被动的(即不是主要借助主动的外部加 热器或散热器)。因此，消耗较少的功率。另外，在某些实施方式中，可在一温度范围 内对所述装置进行调谐，或在所述半导体激光器实例中，可在一波长范围内对半导体 激光器进行调谐。
本发明的其它方面包括对应于上文所述装置及系统并应用于除半导体激光器以外 的装置及除波长调谐以外的目的的方法。
附图说明
为了阐述可用以获得本发明的上述及其它优点的方式，将参照附图中所示的本发明 具体实施例来对上文所简要说明的本发明进行更详细说明。在了解这些图式仅描绘本发 明的典型实施例且因此不应视为限制本发明范围的情况下，将借助附图对本发明进行更 具体及详细的阐述及解释，在附图中：
图1为一其中通过散热器不同部件之间的断续接触来实现可调热阻抗的设备的一 图示。
图2为一允许使用一可变形材料来连续改变热阻抗的设备的一图示。
具体实施方式
虽然图1显示一种其中在致动器170伸出时激光器散热器110偏移至第二散热器 120上的情况，但在一替代方法中，激光器散热器110的位置是固定的且致动器170用 于将第二散热器120移动至接触位置。
在一设计中，激光器散热器部分110为一集成式组合件的一部分，所述集成式组合 件还包含导电迹线115以便于建立有用的电路。在一方法中，这些电路115较佳包括通 至一用于感测半导体激光器150的温度的温度传感器130的连接。使用自传感器170获 得的温度，控制电路180可实施适于快速达到一所期望的温度并将温度稳定在该点上的 操作。
控制电路180实施用以判定所述散热器部分110、120何时接触及接触多久的作业。 激光器150在平衡状态中的温升取决于下列关系
ΔT＝ZH(1)
其中ΔT为激光器150高于第二散热器部分120(其在此实例中假定处于一恒定温度) 的温度的温升，Z为自激光器150至散热器部分120的有效热阻抗，且H为由激光器150 在平衡状态中耗散的热量。此处，假定如通常所期望的一样通过设计来使其中不通过激光 器散热器部分110传导热量的平行的热传导路径可忽略不计。
如果所述散热器的这两个部分110、120连接达一总时间tt中的一时间t1，则所述有 效热阻抗可近似表示为：
Z＝tt/t1Zc(2)
其中Zc为当致动器170连接这两个部分110、120时自激光器150至第二散热器部 分120的热阻抗。通过调整连接时间t1(或工作循环t1/tt)，可达到所期望的Z值以使温 升ΔT为所期望的值。
时间tt较佳应以在连接时间t1及未连接时间(tt-t1)期间均限制激光器组合件的温度 偏离所期望的温度的变化为基础来进行选择。出现变化是因为所述热阻抗在这些时间期间 偏离平均阻抗进行调整。所述激光器组合件由一具有不同质量及热容量的材料集合组成。 然而，其可视为具有一等于每一质量与适合于所述材料的热容量的乘积之和的热质量。所 述组合件的温度将在一给定时间内升高一与所述激光器加热H成正比并与整个组合件的 热质量成反比的量。如果期望温度变化小于一设定值Tv，则未连接所述散热器时的时间 (tt-t1)应小于所述组合件温度升高Tv所需的时间。
一用于设定时间tt的第二标准可来自下述观测结果：热阻抗在间隔t1期间小于所 期望的平均值，且因此，温度将在所述连接间隔接近结束时低于所述平均值。然而， 在一其中基本上所有热量均在这两个散热器部分110、120之间流动的较佳实施例中， 断开间隔期间的温度变化将大于连接周期期间的温度变化。这是因为假定因适当的隔 热而使断开时的热阻抗极大。因此，基于断开期间的变化的标准通常会更严格。
可将致动器170选择成一其中施加一适当电流来实现连接并施加一第二适当电流 来实现断开的继电器型电装置。在一较佳实施例中，所述继电器正闩锁在因施加电流 而达到的致动器170位置上。在此种情况下，可中断所述电流并不再需要进一步供电 便会保持致动器170位置。当需要将致动器170返回至其初始位置时，施加一第二电 流来释放所述闩锁。
继电器可基于传统的螺线管，但并不仅限于此。也可使用具有基本相同的机械功 能的其它类型的致动170。这些致动器可包括MEM致动器、压电致动器、电机驱动 的致动器及能产生必要的偏移及力的其它致动器。较佳地，所述平均功率消耗小于或 约等于所述激光器的功率消耗的数量级。由于本发明适用于诸多不同功率的激光器， 因此致动器的选择部分地取决于所述激光器。然而，传统的螺线管式继电器通常适用 于一宽广的激光器选择范围且可价格低廉。
也可较佳采用一如图1中所示的辅助加热器155。所述辅助加热器155也可通过 导电迹线115有效地连接至电源，从而可应用所述电源更快地将半导体激光器150加 热至所期望的温度。在一较佳实施方式中，加热器155由一其中流过电流的电阻器组 成。与所述激光器热量单独来实施此功能所需的时间相比，此种电阻加热器155可用 于在短时间内迅速将所述激光器组合件加热至所期望的温度。在获得所需温度后，可 断开辅助加热器155。如果所述激光器组合件的热质量不是太大，则使用所述辅助加 热器时所出现的能量损失较小。
在温度控制主要是通过具有可调整热阻抗的散热器来实现的意义上，加热器155 为辅助加热器。例如，辅助加热器155用于初始加热(例如在启动期间)或用作对所 述激光器(例如，如果所述激光器由一工作温度移至另一工作温度)所引起的加热的 补充。控制电路180也可实施对任一辅助加热器155施加电流的作业。
激光器散热器110可较佳选择成一带有铜接地平面的挠性电路。热量通过—其宽 度及厚度足以在所设计的长度上具有低热阻抗的铜层传导，且可使用作为所述挠性电 路一部分的绝缘层上的导电迹线115来形成电路。此允许在所述激光器组合件内直接 连接所述温度传感器、任何辅助加热器、激光器偏流连接线及任何监视器光电二极管。
应将控制电路180与激光器散热器110之间的连接选择成使这些连接的热阻抗较 大。如果用于形成电路的迹线是携载必要的电流所需的最小宽度及厚度，便能实现这 一点。较佳使用一尽可能小的规格的导线来进行迹线115与控制电路180之间的电连 接。为了减少热流，激光器散热器110本身较佳不与控制电路180附连。
在图1所示的实例中，较佳在所述激光器组合件上安装一温度传感器130。所述 传感器可为热敏电阻器或一产生可据以确定温度的电压的半导体装置。或者，所述激 光器的波长可直接由某种波长传感器来测量并用作对控制电路180的反馈，以便可将 所述激光器的波长设定成一先前所制定的目标值。
可较佳将隔热体选择成玻璃，或在一更佳的实施例中选择成基本上填满气泡的玻 璃。
现根据一在典型操作期间耗散200mW热能并具有波长随温度的变化系数为0.25 nm/℃的半导体激光器来提供一实例。设想一其中需要将激光器调谐5nm-其对应于 -20℃的温升—的情况。激光器散热器110选择成在连接至第二散热器120时其热阻 抗约为20℃/W。因此，如果始终连接，则激光器温升将为4℃。为了达到此热阻抗， 可采用一为20mm长×10mm宽×0.25mm厚的铜散热器，但直接的热流计算足以得 出其它可使用的几何形状及材料。可使用传统的热流计算来选择隔热体的尺寸及材料， 以获得一至少120℃/W但较佳至少200℃/W的热阻抗。在此种情况下，且假设所有其 它热路径均可忽略不计，则所述200mW激光器的发热可使所述激光器组合件升高至比 在始终连接散热器情况下所将达到的温度高出至少20℃。因此，在此实例中，可预计在 所述散热器始终连接与从不连接这两种情况之间所述激光波长改变至少5nm。
当致动器170促成连接时，期望在这两个散热器部分110、120之间具有一足够 的接触面积，以便不会因接触面积有限而增加过多的热阻抗。在所提供的实例中，如 果第二散热器120也是铜的，则接触面积为1mm2即足以满足要求。
如果在所述组合件上部署一辅助电阻式加热器，则通常较佳将所述装置设计成提 供至少与所述激光器一样多的热量，以便显著地影响升温时间。在上述实例中，一适当 的选择将是一500mW加热器。对于一100mA的电流而言，所述电阻器将是50欧姆。
散热器部分110需要在与致动器170接触时弹性偏移并在撤除接触时返回至其正 常位置。在所提供的实例中，一约为1mm的偏移量即足以满足要求，且致动器170 可选择成大致具有一2mm的偏移量。在此种情况下，致动器170除在需要时以外无 需接触所述散热器，且在致动器170不伸出时在这两个散热器部分110、120之间将没 有热量流动。
一较佳实施例中的控制电路180能够对温度进行闭环控制。所述电路包括一用于 读取温度传感器130的输出的装置及用于确定连接散热器部分110、120所需的时间的 适当电子设备。在一较佳实施例中，可使用一微处理器或一具有计算能力的应用专用 IC来实施确定连接时间的功能。存在诸多可达到所需温度的控制算法。一种用于达到 所需温度的令人满意的方式是根据足够数量的组合件样本的温度随连接时间的通常变 化来估计散热器应连接的时间比例。然后，可由一将根据来自传感器的所测温度是高 还是低对所连接时间比例进行调整的微处理器来补偿所述组合件的个体变化性。较佳 将散热器110、120断开直至激光器接近设定点为止，以使所需时间最少化。
在图1中，控制电路180还包含一用于驱动致动器170的装置。当采用一辅助加 热器时，会在所述控制电路中添加另一用于向所述加热器提供电流的装置。
也可采用一使热阻抗在一范围内连续可调而不是使用所已说明的时间平均技术 的控制方案。图2显示一其中通过如下方式来实现此目的的实例：通过在激光器散热 器110与第二散热器120之间施加一可调的力而对这两个散热器之间的接触面积进行 调整。如图2中所示，较佳在所述散热器的这两个部分110、120之间布置一可变形材 料210，以便可借助实际力实现接触面积的显著变化。所述材料可较佳选择成一液体 或一具有低弹性模量的固体。在为液体的情况下，需控制激光器散热器110与第二散 热器120之间的间距而不是力。液体可较佳选择成油或水银。适合的可变形固体可以 球的形式获得。适合的材料选项将包括铝或铜。
对激光器组合件、波长及波长范围、形状因数、散热器类型等等的具体选择将部 分地取决于所述应用。一种可能的应用为拉曼(Raman)光谱学。在这些应用中，差 分波长测量可适用于精确地提取荧光背景及测量假象。一种具体实施方式是使用来自 一半导体激光器的830nm的激光波长。激光器较佳安装于一TO箱型式的封装中。所 述激光器可较佳稳定至一＜0.2nm的精度及/或可有意地将其调谐大约1nm并记录所 述调谐之前及之后的光谱以便将其减去。
另一实例性应用是光通信。例如，一半导体激光器可具有1550nm左右的波长并 且还可较佳安装于一TO箱型式的封装中。在密集波长多路复用系统中，通道之间的 典型间隔约为0.8nm。上文所述的方法可用于将激光器控制至一比通道间隔更为精密 的精度，从而可大大节省功率消耗。在变得流行的更紧凑的封装方案中，这往往是极 佳的。
虽然上文详细说明包含诸多细节，但这些细节不应视为对本发明范围的限制而只 应视为对本发明不同实例及方面的例示。应了解，本发明的范围包括上文未详细阐述 的其它实施例。可对本文中所揭示的本发明方法及设备的布置、操作及细节作出所属 领域的技术人员将易知的各种其它修改、改动及变动，此并不背离随附权利要求书所 界定的本发明的精神及范围。因此，本发明范围应由随附权利要求书及其合法的等效 内容来定义。
相关申请交叉参考
本申请案根据35U.S.C.§119(e)主张基于由Jan Lipson于2004年5月14日提出申 请且名称为“使用可变热阻抗对半导体激光器的波长进行温度调谐的设备(Apparatus to temperature tune the wavelength of a semiconductor laser using a variable thermal impedance)”的第60/570,562号美国临时专利申请案的优先权。
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