Die Lebensdauer eines Halbleiterlasers ist ein kritischer Parameter. Bei verschiedenen Anwendungen muss eine ausreichend lange Lebensdauer gewährleistet werden, insbesondere bei der optischen Unterwasserkabelkommunikation und der Satellitenkommunikation, wo die Lebensdauer 20-30 Jahre betragen muss. Die allgemeine Lebensdauer von Lasern reicht von einigen tausend Stunden bis zu Hunderttausenden Stunden. Die konkrete Lebensdauer hängt von der Art des Lasers und davon ab, wie gut er gewartet wird. Beispielsweise kann die theoretische Lebensdauer eines Faserlasers über 100 000 Stunden betragen, während die theoretische Lebensdauer eines CO2-Lasers 12 000 Stunden beträgt.
Zu den Zuverlässigkeitstestmethoden für die Lebensdauer von Lasern gehören hauptsächlich direkte Messmethoden, beschleunigte Alterungstestmethoden und modellbasierte Vorhersagemethoden.
Die direkte Messmethode besteht darin, den Laser kontinuierlich über einen langen Zeitraum laufen zu lassen und die Änderungen wichtiger Parameter wie Ausgangsleistung und Wellenlänge aufzuzeichnen, bis der Laser keine stabile Laserleistung mehr liefern kann. Obwohl diese Methode direkt ist, dauert sie lange und kann von verschiedenen Faktoren wie Testumgebung und Testinstrumenten beeinflusst werden.
Die spezifischen Schritte der direkten Messmethode sind wie folgt:
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Lassen Sie den Laser lange Zeit ununterbrochen laufen und zeichnen Sie die Änderungen wichtiger Parameter wie Ausgangsleistung und Wellenlänge auf.
2
Beobachten Sie die Veränderungen in der Leistung des Lasers im Laufe der Zeit, bis der Laser keine stabile Leistung mehr erbringen kann.
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Bewerten Sie die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Lasers, indem Sie die aufgezeichneten Daten analysieren
Wenn die Lebensdauer direkt unter Arbeitsbedingungen getestet wird, ist dies sehr zeitaufwändig und der Zeitaufwand groß. Daher muss es eine Reihe wissenschaftlicher Methoden zum Screening von Geräten und zur Vorhersage der Lebensdauer geben, um den Benutzern zuverlässige Garantien zu bieten.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, dass LD fehlschlägt:
1
Anfänglicher Misserfolg
Dies wird normalerweise durch den schnellen Abbau des DLD- und DSD-Wachstums im Laser im Frühstadium verursacht. Es spiegelt hauptsächlich die Qualitätsprobleme im Herstellungsprozess wider. Proben mit anfänglichem Versagen reagieren empfindlicher auf thermisch beschleunigte Alterung und weisen eine niedrige thermische Aktivierungsenergie auf.
2
Zufälliger Fehler
Dies wird durch äußere Faktoren wie elektrostatische Entladung, plötzliche große Stromschwankungen, mechanische Vibrationen usw. verursacht. Dieser Gerätetyp zeigt vor einem Ausfall keine Anzeichen.
3
Langsames Scheitern
Sein Charakteristikum besteht darin, dass sich die charakteristischen Parameter des Lasers im Laufe der Zeit langsam ändern. Dieser Fehler ist vorprogrammiert und bedeutet das Ende der Lebensdauer des Geräts.
Unsere Aufgabe ist es, Erstausfälle weitestgehend zu eliminieren und Zufallsausfälle weitestgehend zu verhindern. Etablieren Sie eine Methode, mit der langsame Ausfälle in kürzerer Zeit ermittelt werden können: den beschleunigten Alterungstest.
Die sogenannte beschleunigte Alterung soll die Verschlechterung des Geräts unter härteren Bedingungen oder Überlastungsbedingungen beschleunigen. Anschließend werden die unter diesen rauen Bedingungen gewonnenen zuverlässigen Daten extrapoliert, um den Wert der Nutzungsdauer unter normalen Bedingungen zu ermitteln.
Ob der beschleunigte Alterungstest erfolgreich ist, die Wissenschaftlichkeit und Referenzierbarkeit der Daten, der Schlüssel liegt in der Bestimmung der für die Alterung verwendeten Bedingungen.
Wir wissen, dass die Betriebszuverlässigkeit von Halbleiter-LD eng mit seinen Arbeitsparametern und externen Arbeitsbedingungen zusammenhängt. Mit steigender Sperrschichttemperatur verringert sich die kontinuierliche Lebensdauer, der Arbeitsstrom steigt und der Laser kann leicht beschädigt werden. Die Strahlungsleistung im Betrieb nimmt zu, was auch den Abbauprozess beschleunigt. Daher können diese Parameter als Bedingungen für den Alterungstest oder als Parameter zur Untersuchung ihrer Änderungen ausgewählt werden.
Beim Screening und Lebensdauertest von LD werden häufig Methoden zur beschleunigten Alterung bei hohen Temperaturen eingesetzt. Und der Mechanismus der beschleunigten Hochtemperaturalterung sollte derselbe sein wie der Abbaumechanismus bei normaler Arbeitstemperatur. Nur so kann die extrapolierte erwartete Lebensdauer zuverlässig sein.
Zusammenhang zwischen Arbeitsstrom und Zeit des InGaAsP-Lasers nach beschleunigter Alterung bei 60 Grad Celsius
Die Alterungsbedingungen für diese Zeit sind: Halten der Umgebungstemperatur des Geräts bei 60 Grad, die einseitige optische Ausgangsleistung bei 5 mW und Beobachten der Änderung des Arbeitsstroms mit der Alterungszeit. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass der Strom in den ersten 500 bis 1000 Stunden schnell ansteigt, dann ein Wendepunkt auftritt und dann zur Sättigung tendiert.
Basierend auf diesen Ergebnissen kann das Gerät überprüft werden.
Im einzelnen langsamen Degradationsmodus des Geräts folgt die Beziehung zwischen der Lebensdauer t des Halbleiterlasers und der Temperatur T der exponentiellen Arrhenius-Beziehung
Ea ist die Aktivierungsenergie und Kb ist die Boltzmann-Konstante. Ea wird durch Probenahme der Abbaurate gemessen. Der Zusammenhang zwischen der Abbaurate Rt und der Temperatur entspricht ebenfalls der Arrhenius-Beziehung
Im Allgemeinen kann die Aktivierungsenergie Ea der Probe durch Aufrechterhaltung einer konstanten optischen Ausgangsleistung und Testen der Abbaurate bei verschiedenen Alterungstemperaturen ermittelt werden.
dI/dt entspricht dem Wert der Abbaurate nach dem Wendepunkt von I(t) in der obigen Abbildung. Im Allgemeinen beträgt der Durchschnittswert von Ea für GaAlAs/GaAs-Laser etwa {{0}},7 eV; Für InGaAsP/InP-Laser beträgt der Durchschnittswert von Ea etwa 1,0 eV. Die Lebensdauer beträgt etwa 10E5~10E6 Stunden.
Darüber hinaus ist die durchschnittliche Alterungszeit auch ein wichtiger Parameter zur Messung der Zuverlässigkeit von Halbleiter-LD. Die durchschnittliche Alterungszeit bei normaler Arbeitstemperatur wird ebenfalls durch Testen der durchschnittlichen Alterungszeit und Aktivierungsenergie unter Hochtemperatur-Alterungsbedingungen ermittelt und anschließend von Arrhenius berechnet. Die Bestimmung der durchschnittlichen Alterungszeit unter Hochtemperatur-Alterungsbedingungen basiert auf der Konstanthaltung der einseitigen Ausgangsleistung und der Erhöhung des Stroms um 50 % als Alterungsstandard.
Die modellbasierte Vorhersagemethode sagt die Lebensdauer des Lasers voraus, indem sie ein mathematisches Modell des Lasers erstellt und dessen Funktionsprinzip, Materialeigenschaften, Arbeitsumgebung und andere Faktoren kombiniert. Diese Methode erfordert hohe Fachkenntnisse und Rechenleistung, kann aber eine genaue Vorhersage der Laserlebensdauer erzielen.
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