반도체 레이저의 수명은 중요한 매개변수입니다. 다양한 애플리케이션에서 충분히 긴 작업 수명이 보장되어야 하며, 특히 수명이 20-30년에 도달해야 하는 해저 광케이블 통신 및 위성 통신에서는 더욱 그렇습니다. 레이저의 일반적인 수명은 수천 시간에서 수십만 시간에 이릅니다. 구체적인 수명은 레이저 유형과 유지 관리 수준에 따라 다릅니다. 예를 들어, 파이버 레이저의 이론적 수명은 100000시간 이상인 반면 CO2 레이저의 이론적 수명은 12000시간입니다.
레이저의 신뢰성 수명시험 방법에는 크게 직접측정법, 가속노화시험법, 모델기반 예측법이 있다.
직접 측정 방법은 레이저를 장시간 연속적으로 작동시켜 레이저가 더 이상 레이저를 안정적으로 출력할 수 없을 때까지 출력 전력, 파장 등 주요 매개변수의 변화를 기록하는 것입니다. 이 방법은 직접적이지만 시간이 오래 걸리고 테스트 환경, 테스트 장비 등 다양한 요인에 의해 영향을 받을 수 있습니다.
직접 측정 방법의 구체적인 단계는 다음과 같습니다.
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레이저를 오랫동안 지속적으로 실행하고 출력 전력 및 파장과 같은 주요 매개변수의 변화를 기록합니다.
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레이저가 더 이상 안정적으로 출력되지 않을 때까지 시간이 지남에 따라 레이저 성능의 변화를 관찰합니다.
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기록된 데이터를 분석하여 레이저의 수명과 신뢰성을 평가합니다.
수명을 작업 조건에서 직접 테스트하면 시간이 많이 걸리고 시간도 많이 걸립니다. 따라서 사용자에게 신뢰할 수 있는 보증을 제공하려면 장치를 검사하고 수명을 예측하는 일련의 과학적 방법이 있어야 합니다.
LD가 실패하는 방법에는 여러 가지가 있습니다.
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초기 실패
이는 일반적으로 초기 단계의 레이저에서 DLD 및 DSD 성장의 급격한 저하로 인해 발생합니다. 이는 주로 제조 공정의 품질 문제를 반영합니다. 초기 파손이 발생한 샘플은 열 가속 노화에 더 민감하고 열 활성화 에너지가 낮습니다.
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무작위 실패
이는 정전기 방전, 순간적인 큰 전류 변동, 기계적 진동 등과 같은 외부 요인에 의해 발생합니다. 이러한 유형의 장치는 고장이 나기 전에는 아무런 징후도 보이지 않습니다.
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느린 실패
그 특징은 레이저의 특성 매개변수가 시간이 지남에 따라 천천히 변한다는 것입니다. 이 오류는 반드시 발생하며 장치의 작동 수명이 종료됩니다.
우리의 임무는 초기 실패를 최대한 제거하고 무작위 실패를 최대한 방지하는 것입니다. 더 짧은 시간에 느린 고장을 판별할 수 있는 방법, 즉 가속 노화 테스트를 확립합니다.
소위 가속 노화는 더 가혹한 조건이나 과도한 스트레스 조건에서 장치의 성능 저하를 가속화하는 것입니다. 그런 다음 이러한 가혹한 조건에서 얻은 신뢰할 수 있는 데이터를 추정하여 정상적인 조건에서 작업 수명 값을 얻습니다.
가속 노화 테스트의 성공 여부, 데이터의 과학성 및 참조 가능성은 노화에 사용되는 조건을 결정하는 데 있습니다.
우리는 반도체 LD의 작동 신뢰성이 작동 매개변수 및 외부 작동 조건과 밀접한 관련이 있다는 것을 알고 있습니다. 접합 온도가 증가하면 연속 작업 수명이 감소하고 작업 전류가 증가하며 레이저 성능이 저하되기 쉽습니다. 작동 중 복사 전력이 증가하여 열화 과정도 가속화됩니다. 따라서 이러한 매개변수는 노화 시험의 조건으로 선택되거나 그 변화를 조사하기 위한 매개변수로 선택될 수 있습니다.
LD의 스크리닝 및 수명 테스트는 종종 고온 가속 노화 방법을 사용합니다. 그리고 고온 가속 노화 메커니즘은 정상 작동 온도에서의 열화 메커니즘과 동일해야 합니다. 이런 방법으로만 추정된 기대 수명을 신뢰할 수 있습니다.
섭씨 60도에서 가속 노화 후 InGaAsP 레이저의 작동 전류와 시간의 관계
이번 에이징 조건은 장치 주변 온도를 60도, 단면 출력 광전력을 5mW로 유지하고 에이징 시간에 따른 작동 전류의 변화를 관찰하는 것입니다. 그림에서 알 수 있듯이 처음 500~1000시간 동안 전류가 급격히 증가한 다음 변곡점이 나타나고 포화되는 경향이 있습니다.
이러한 결과를 바탕으로 장치를 검사할 수 있습니다.
장치의 단일 느린 열화 모드에서 반도체 레이저의 수명 t와 온도 T 사이의 관계는 지수적 Arrhenius 관계를 따릅니다.
Ea는 활성화 에너지이고 Kb는 볼츠만 상수입니다. Ea는 분해율을 샘플링하여 측정됩니다. 분해율 Rt와 온도 사이의 관계도 Arrhenius 관계를 따릅니다.
일반적으로 시료의 활성화 에너지 Ea는 일정한 출력 광전력을 유지하고 다양한 노화 온도에서 열화 속도를 테스트하여 얻을 수 있습니다.
dI/dt는 위 그림에서 I(t)의 변곡점 이후 열화율 값에 해당합니다. 일반적으로 GaAlAs/GaAs 레이저의 경우 Ea의 평균 값은 약 {{0}}.7eV입니다. InGaAsP/InP 레이저의 경우 Ea의 평균값은 약 1.0eV입니다. 수명은 약 10E5~10E6시간입니다.
또한, 평균 에이징 시간 역시 반도체 LD의 신뢰성을 측정하는 중요한 매개변수이다. 정상 작동 온도에서의 평균 노화 시간은 고온 노화 조건에서 평균 노화 시간과 활성화 에너지를 테스트하여 얻은 다음 Arrhenius에 의해 계산됩니다. 고온 노화 조건에서의 평균 노화 시간 결정은 단면 출력 전력을 일정하게 유지하고 노화 기준으로 전류를 50% 증가시키는 것을 기반으로 합니다.
모델 기반 예측 방법은 레이저의 수학적 모델을 구축하고 작동 원리, 재료 특성, 작업 환경 및 기타 요소를 결합하여 레이저의 수명을 예측합니다. 이 방법은 높은 전문 지식과 컴퓨팅 능력이 필요하지만 레이저 수명을 정확하게 예측할 수 있습니다.
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