半導体レーザーの寿命は重要なパラメータです。さまざまな用途において、十分に長い耐用年数を確保する必要があります。特に海底光ケーブル通信や衛星通信では、寿命が 20-30 年に達する必要があります。レーザーの一般的な寿命は、数千時間から数十万時間の範囲です。具体的な寿命はレーザーの種類とメンテナンスの状態によって異なります。たとえば、ファイバーレーザーの理論上の寿命は 100,000 時間を超える場合がありますが、CO2 レーザーの理論上の寿命は 12,000 時間です。
レーザーの信頼性寿命試験方法には、主に直接測定方法、加速劣化試験方法、モデルベースの予測方法が含まれます。
直接測定方法は、レーザーを長時間連続して動作させ、レーザーが安定して出力できなくなるまで、出力パワーや波長などの重要なパラメーターの変化を記録します。この方法は直接的ですが、時間がかかり、テスト環境やテスト機器などのさまざまな要因の影響を受ける可能性があります。
直接測定法の具体的な手順は次のとおりです。
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レーザーを長時間連続して実行し、出力パワーや波長などの主要なパラメーターの変化を記録します。
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レーザーが安定して出力できなくなるまでの、時間の経過に伴うレーザーの性能の変化を観察します。
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記録されたデータを分析してレーザーの寿命と信頼性を評価します
使用条件下で直接寿命を検査するとなると、非常に時間がかかり、時間も膨大になってしまいます。したがって、ユーザーに信頼できる保証を提供するには、デバイスをスクリーニングし、寿命を予測するための一連の科学的方法が必要です。
LD が失敗する原因はいくつかあります。
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初期不良
これは通常、初期段階でのレーザー内の DLD および DSD 成長の急速な劣化によって引き起こされます。これは主に製造工程における品質問題を反映しています。初期故障のあるサンプルは、熱加速老化の影響をより受けやすく、熱活性化エネルギーが低くなります。
2
ランダムな失敗
これは、静電気放電、瞬間的な大電流変動、機械的振動などの外部要因によって引き起こされます。このタイプのデバイスは故障する前に兆候を示しません。
3
遅い失敗
その特徴は、レーザーの特性パラメータが時間の経過とともにゆっくりと変化することです。この故障は必ず起こるものであり、デバイスの耐用年数が終わります。
私たちの使命は、初期不良を可能な限り排除し、偶発的な故障を可能な限り防ぐことです。低速故障をより短時間で判定できる手法「加速劣化試験」を確立する。
いわゆる加速劣化は、より過酷な条件または過大なストレス条件下でデバイスの劣化を加速することです。次に、これらの過酷な条件下で得られた信頼できるデータを外挿して、通常の条件下での耐用寿命値を取得します。
加速老化試験が成功するかどうか、データの科学性と参照可能性、老化の条件を決定することが鍵となります。
半導体 LD の動作信頼性は、その動作パラメータや外部動作条件と密接に関係していることがわかっています。ジャンクション温度が上昇すると、連続動作寿命が減少し、動作電流が増加し、レーザーが劣化しやすくなります。動作中の放射パワーが増加し、これも劣化プロセスを加速します。したがって、これらのパラメータをエージング試験の条件やその変化を調べるパラメータとして選択することができる。
LD のスクリーニングと寿命試験では、高温加速老化法がよく使用されます。そして、高温加速老化のメカニズムは、通常の使用温度での劣化メカニズムと同じであるはずです。この方法でのみ、推定された期待寿命を信頼できるものにすることができます。
60℃で加速エージング後のInGaAsPレーザーの動作電流と時間の関係
今回のエージング条件は、装置周囲温度を60度、片側光出力を5mWに保ち、エージング時間に伴う動作電流の変化を観察することです。図から、最初の 500 ～ 1000 時間で電流が急激に増加し、その後、変曲点が現れ、飽和する傾向にあることがわかります。
これらの結果に基づいて、デバイスをスクリーニングできます。
デバイスの単一緩慢劣化モードでは、半導体レーザーの寿命 t と温度 T の関係は、指数関数的なアレニウスの関係に従います。
Ea は活性化エネルギー、Kb はボルツマン定数です。 Ea は、劣化速度をサンプリングすることによって測定されます。劣化速度 Rt と温度の関係もアレニウスの関係に準拠します。
一般に、サンプルの活性化エネルギー Ea は、一定の出力光パワーを維持し、さまざまなエージング温度で劣化速度をテストすることによって取得できます。
dI/dtは上図のI(t)の変曲点以降の劣化率の値に相当します。一般に、GaAlAs/GaAs レーザーの場合、Ea の平均値は約 {{0}}.7eV です。 InGaAsP/InP レーザーの場合、Ea の平均値は約 1.0eV です。寿命は約10E5〜10E6時間です。
また、平均エージング時間も半導体LDの信頼性を測る重要なパラメータです。通常の使用温度下での平均老化時間も、高温老化条件下で平均老化時間と活性化エネルギーを試験することによって得られ、アレニウスによって計算されます。高温エージング条件下での平均エージング時間の決定は、片側出力電力を一定に維持し、エージング基準として電流を 50% 増加させることに基づいています。
モデルベースの予測方法では、レーザーの数学的モデルを確立し、その動作原理、材料特性、使用環境などの要素を組み合わせることで、レーザーの寿命を予測します。この方法は高度な専門知識と計算能力を必要としますが、レーザー寿命を正確に予測できます。
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