[发明专利]一种同轴封装TOSA温度分布的仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种同轴封装TOSA温度分布的仿真方法，属于光通信的技术领域。

背景技术

同轴封装光发射模块(TOSA)因其功耗低、易于对准、光耦合效率高、便于调制及制造成本低可大规模生产等优点，在光纤通信中得到了广泛的应用。在过去十年内，同轴封装10Gbit/s的TOSA以其高质量的性价比占据了大部分的市场。但是，随着下一代通信网络标准的提出，21Gbit/s传输速率的光纤通道和千兆万兆以太网成为光纤网络的发展趋势，10Gbit/s的TOSA会逐渐不能满足人们的需求。目前，分布反馈式(DFB)激光器的制造技术已经日渐成熟，其调制速率可以超过40Gbit/s，影响TOSA模块通信速率的主要因素是封装结构和高温性能。随着通信速率的增加，半导体激光器的输出功率也大幅度增加。由于激光器的工作状态受温度影响很大，其高温工作性能直接影响TOSA的稳定性和可靠性，如果不进行温度控制会造成热量积累和温度升高，进而影响其输出光的功率、发光效率、波长等性能，并会大大减少器件的使用寿命。为保证激光器的稳定工作，需要关注其在各种条件下的温度特性，从而热管理成为TOSA内部必不可少的部分。建立接近真实器件的热分析模型来预测TOSA的热性能是优化TOSA的封装形式以及内部结构的重要手段。

发明内容

针对现有的技术不足，本发明提供一种同轴封装TOSA温度分布的仿真方法。本发明具有仿真速度快、计算精确度高、参数可控、实时观测等优点。

本发明的技术方案如下：

一种同轴封装TOSA温度分布的仿真方法，包括步骤如下：

1)根据获取的TOSA模型参数采用3D建模软件SolidWorks建立同轴封装TOSA模型，所述TOSA模型参数包括DFB激光器、基板、热敏电阻、L型基板、热电制冷器(TEC)、基座、耦合透镜的器件结构尺寸和器件材料属性；

2)基于ANSYS软件设计仿真分析的优化算法，在仿真分析过程中通过实时改变分析步长和热载荷；加快仿真速度、提高了仿真结果的精确度；

3)编写参数化设计程序，根据步骤2)设计的优化算法编写设计程序，实现仿真过程中对初始温度、外界环境温度、激光器功率和热电制冷器载荷参数的调节；通过设计程序实现各种条件下的仿真；

4)通过提取所述TOSA模型上监测点和各仿真器件的温度数据，绘制出监测点温度随时间变化曲线和模型内部温度分布图。

根据本发明优选的，在步骤2)-4)中采用基于有限元分析方法的ANSYS软件进行温度场的仿真；在分析计算过程中，通过运用步骤2)设计的步长优化算法快速实现对同轴封装TOSA的温度仿真，步骤如下：所述步长优化算法依次包括：

步骤一：在ANSYS软件中导入同轴封装TOSA的实体模型的器件结构尺寸,包括将DFB激光器、基板、热敏电阻、L型基板、热电制冷器(TEC)、基座、耦合透镜的器件结构尺寸和空间结构导入至ANSYS中；

步骤二：对所述TOSA实体模型进行有限元网格划分，形成实体器件单元：

首先，定义步骤一中各个器件的材料属性和单元类型，选用热分析单元SOLID279；

然后，对所述实体器件模型进行网格划分，采取手动拾取实体器件的方式，即通过输入器件的实体编号一一选取器件；模型拾取的原则是先小后大再中间，即先拾取尺寸结构最小的实体器件，再拾取结构尺寸最大的实体器件，然后再拾取结构尺寸适中的实体器件，所述实体器件单元之间是相连的；

步骤三：设置分析类型为瞬态；加载热生成率载荷和边界条件，设定所有器件单元的初始温度Temp0，设定稳态温度TempTar；设定时间起点Time0，设定初始时间步长ΔT为ANSYS中的最小时间步长；

步骤四：计算下一时间点Time1＝Time0+ΔT的温度值Temp1；计算温度值Temp1与稳态温度TempTar之间的差值大小，如果|Temp1-TempTar|≤0.05，则定义时间点Time1为最终温度恒定时的时间EndTime，读取最后一步的结果，绘制温度分布图；如果|Temp1-TempTar|＞0.05，则运行下步骤五；

步骤五：计算步骤四的步进斜率k＝(Temp1-Temp0)/(Time1-Time0)，利用此斜率设定下一次的时间步长为ΔT＝(TempTar-Tepm1)/k；

步骤六：令Time0＝Time1，Temp0＝Temp1，返回步骤四进行循环。

本发明的优势：