La durata di un laser a semiconduttore è un parametro critico. In varie applicazioni deve essere garantita una vita lavorativa sufficientemente lunga, in particolare nelle comunicazioni via cavo ottico sottomarino e nelle comunicazioni via satellite, dove la durata della vita deve raggiungere 20-30 anni. La durata generale dei laser varia da poche migliaia di ore a centinaia di migliaia di ore. La durata specifica dipende dal tipo di laser e dalla sua manutenzione. Ad esempio, la durata teorica di un laser a fibra può raggiungere oltre 100,000 ore, mentre la durata teorica di un laser a CO2 è di 12,000 ore.
I metodi di prova dell'affidabilità e della durata dei laser includono principalmente il metodo di misurazione diretta, il metodo di prova dell'invecchiamento accelerato e il metodo di previsione basato su modelli.
Il metodo di misurazione diretta consiste nel far funzionare continuamente il laser per un lungo periodo e registrare le modifiche nei parametri chiave come la potenza di uscita e la lunghezza d'onda fino a quando il laser non è più in grado di emettere laser in modo stabile. Sebbene questo metodo sia diretto, richiede molto tempo e può essere influenzato da vari fattori come l'ambiente di test e gli strumenti di test.
Le fasi specifiche del metodo di misurazione diretta sono le seguenti:
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Fai funzionare il laser ininterrottamente per un lungo periodo e registra i cambiamenti nei parametri chiave come la potenza di uscita e la lunghezza d'onda.
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Osservare i cambiamenti nelle prestazioni del laser nel tempo fino a quando il laser non può più emettere in modo stabile.
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Valutare la durata e l'affidabilità del laser analizzando i dati registrati
Se la durata viene testata direttamente in condizioni di lavoro, ciò richiederà molto tempo e la quantità di tempo sarà ampia. Pertanto, è necessario che esista una serie di metodi scientifici per lo screening dei dispositivi e la previsione della vita per fornire agli utenti garanzie affidabili.
Esistono diversi modi in cui LD può fallire:
1
Fallimento iniziale
Ciò è solitamente causato dalla rapida degradazione della crescita DLD e DSD nel laser nella fase iniziale. Riflette principalmente i problemi di qualità nel processo di produzione. I campioni con cedimento iniziale sono più sensibili all'invecchiamento termico accelerato e hanno una bassa energia di attivazione termica.
2
Guasto casuale
Ciò è causato da fattori esterni come scariche elettrostatiche, grandi fluttuazioni di corrente istantanee, vibrazioni meccaniche, ecc. Questo tipo di dispositivo non mostra alcun segno prima del guasto.
3
Lento fallimento
La sua caratteristica è che i parametri caratteristici del laser cambiano lentamente nel tempo. Questo guasto è destinato a verificarsi e pone fine alla vita utile del dispositivo.
Il nostro compito è eliminare il più possibile i guasti iniziali e prevenire il più possibile i guasti casuali. Stabilire un metodo in grado di determinare guasti lenti in un tempo più breve, ovvero il test di invecchiamento accelerato.
Il cosiddetto invecchiamento accelerato consiste nell'accelerare il degrado del dispositivo in condizioni più difficili o in condizioni di stress eccessivo. Quindi i dati affidabili ottenuti in queste condizioni difficili vengono estrapolati per ottenere il valore della vita utile in condizioni normali.
Se il test di invecchiamento accelerato ha successo, la chiave è la scientificità e la referenziabilità dei dati, nel determinare le condizioni utilizzate per l’invecchiamento.
Sappiamo che l'affidabilità di funzionamento del semiconduttore LD è strettamente correlata ai suoi parametri di funzionamento e alle condizioni di lavoro esterne. Con l'aumento della temperatura di giunzione, la durata operativa continua diminuisce, la corrente di lavoro aumenta e il laser si degrada facilmente. La potenza della radiazione durante il funzionamento aumenta, il che accelera anche il processo di degrado. Pertanto, questi parametri possono essere selezionati come condizioni per il test di invecchiamento o come parametri per esaminarne i cambiamenti.
Lo screening e il test di vita dell'LD spesso utilizzano metodi di invecchiamento accelerato ad alta temperatura. E il meccanismo di invecchiamento accelerato ad alta temperatura dovrebbe essere lo stesso del meccanismo di degrado alla normale temperatura di esercizio. Solo in questo modo la vita attesa estrapolata potrà essere attendibile.
Relazione tra la corrente di lavoro e il tempo del laser InGaAsP dopo invecchiamento accelerato a 60 gradi Celsius
Le condizioni di invecchiamento per questo periodo sono: mantenimento della temperatura ambiente del dispositivo a 60 gradi, potenza ottica di uscita su un solo lato a 5 mW e osservazione del cambiamento della corrente di funzionamento con il tempo di invecchiamento. Dalla figura si vede che nelle prime 500-1000 ore la corrente aumenta rapidamente, poi appare un punto di flesso e poi tende alla saturazione.
Sulla base di questi risultati, il dispositivo può essere sottoposto a screening.
Nella modalità di degradazione lenta singola del dispositivo, il rapporto tra la vita t del laser a semiconduttore e la temperatura T obbedisce alla relazione esponenziale di Arrhenius
Ea è l'energia di attivazione e Kb è la costante di Boltzmann. Ea viene misurato campionando il tasso di degradazione. Anche la relazione tra la velocità di degradazione Rt e la temperatura è conforme alla relazione di Arrhenius
Generalmente, l'energia di attivazione Ea del campione può essere ottenuta mantenendo una potenza ottica in uscita costante e testando la velocità di degradazione a diverse temperature di invecchiamento.
dI/dt corrisponde al valore della velocità di degradazione dopo il punto di flesso di I(t) nella figura sopra. Generalmente, per i laser GaAlAs/GaAs, il valore medio di Ea è di circa {{0}},7eV; per i laser InGaAsP/InP, il valore medio di Ea è di circa 1,0 eV. La durata della vita è di circa 10E5~10E6 ore.
Inoltre, anche il tempo di invecchiamento medio è un parametro importante per misurare l'affidabilità del LD dei semiconduttori. Il tempo di invecchiamento medio alla normale temperatura di esercizio si ottiene anche testando il tempo di invecchiamento medio e l'energia di attivazione in condizioni di invecchiamento ad alta temperatura, quindi calcolato da Arrhenius. La determinazione del tempo di invecchiamento medio in condizioni di invecchiamento ad alta temperatura si basa sul mantenimento costante della potenza di uscita su un solo lato e sull'aumento della corrente del 50% come standard di invecchiamento.
Il metodo di previsione basato su modello prevede la durata del laser stabilendo un modello matematico del laser e combinandone il principio di funzionamento, le proprietà del materiale, l'ambiente di lavoro e altri fattori. Questo metodo richiede elevate conoscenze professionali e potenza di calcolo, ma può ottenere una previsione accurata della durata del laser.
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