LD激光器的可靠性保证和加速寿命试验

半导体激光器的寿命是一个很关键的参数,在各种应用中必须保证足够长的工作寿命,尤其在海底光缆通信、卫星通信中的,寿命需要达到20-30年。

  而如果直接用工作下的条件去测试寿命,很耗时间、而且量大的话,耗费老化一起、电量都是很大的。因此必须有一套科学的筛选器件和预测寿命的方法,为使用者提供可靠的保证。

    LD的失效方法有以下几种:

1)初期失效

这通常是激光器中的DLD和DSD生长导致在初期的迅速退化。它主要反映了制造工艺中的质量问题,初期失效的样品对热加速老化比较敏感,热激活能低。

2)随机失效

这种由于外部因素,如静电放电、瞬间的大电流波动,机械振动等引起的突变性损坏,这类器件在失效前不显示出任何迹象。

3)缓慢失效

其特点就是激光器的特性参数随着时间缓慢变化,这种失效是注定会到来的,是器件工作寿命的终止。

我们的任务就是尽量排除初期失效,尽可能的防止随机失效。建立一种在较短时间内能确定缓慢失效的方法,这就是加速老化试验。

 所谓的加速老化就是在更苛刻的条件下或过应力状态下加速器件的退化。然后将在此苛刻条件下得到的可靠数据外推,从而得到正常条件的工作寿命值。

  加速老化试验是否成功,数据的科学性、可参考性如何,关键在于确定老化所用的条件。

    我们知道半导体LD的工作可靠性与其工作参数和外界工作条件密切相关,随着结温的升高,连续工作寿命降低,工作电流加大,也会导致激光器容易退化,工作时的辐射功率加大,也加快退化过程。因此,这些参数都可以选座位老化试验的条件或考察其变化的参量。

LD的筛选和寿命试验常常采用高温加速老化方法。且高温加速老化的机理应当与正常工作温度下的退化机理相同,只有这样,外推出来的预期寿命才是可靠的。

InGaAsP激光器加速老化后在60摄氏度测定的工作电流与时间的关系

本次老化条件为:维持器件环境温度60℃,单面输出光功率为5mW,观察工作电流随老化时间的变化。图上可见在开始的500~1000小时内,电流增加很快,随后出现拐点,然后趋于饱和。

根据这些结果就可以筛选器件,

器件在单一缓慢退化方式下,半导体激光器的寿命t和温度T的关系服从指数形式的Arrhenius关系

Ea是激活能,Kb是玻尔兹曼常数。采用抽样测试退化率的办法测得Ea。退化率Rt与温度的关系也符合Arrhenius关系:

一般以维持恒定的输出光功率,测试不同老化温度下的退化率即可得到样片的激活能Ea。

dI/dt对应上图的I(t)拐点之后的退化率值。一般对于GaAlAs/GaAs激光器,其Ea的平均值约0.7eV;对于InGaAsP/InP激光,Ea平均值约1.0eV。寿命约10E5~10E6小时。

此外平均时效时间也是衡量半导体LD可靠性的重要参数。正常工作温度下的平均时效时间也是通过测试高温老化条件下的平均时效时间和激活能,然后通过Arrhenius计算得到,而高温老化条件下平均时效时间的测定是以维持单面输出功率恒定,电流增加50%作为时效标准。

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