La durée de vie d'un laser à semi-conducteur est un paramètre critique. Dans diverses applications, une durée de vie suffisamment longue doit être garantie, en particulier dans les communications par câble optique sous-marin et les communications par satellite, où la durée de vie doit atteindre 20-30 ans. La durée de vie générale des lasers varie de quelques milliers d'heures à des centaines de milliers d'heures. La durée de vie spécifique dépend du type de laser et de la qualité de son entretien. Par exemple, la durée de vie théorique d'un laser à fibre peut atteindre plus de 100 000 heures, tandis que la durée de vie théorique d'un laser CO2 est de 12 000 heures.
Les méthodes de test de fiabilité et de durée de vie des lasers comprennent principalement la méthode de mesure directe, la méthode de test de vieillissement accéléré et la méthode de prédiction basée sur un modèle.
La méthode de mesure directe consiste à faire fonctionner le laser en continu pendant une longue période et à enregistrer les changements dans les paramètres clés tels que la puissance de sortie et la longueur d'onde jusqu'à ce que le laser ne puisse plus produire de laser de manière stable. Bien que cette méthode soit directe, elle prend du temps et peut être affectée par divers facteurs tels que l'environnement de test et les instruments de test.
Les étapes spécifiques de la méthode de mesure directe sont les suivantes :
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Faites fonctionner le laser en continu pendant une longue période et enregistrez les changements dans les paramètres clés tels que sa puissance de sortie et sa longueur d'onde.
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Observez les changements dans les performances du laser au fil du temps jusqu'à ce que le laser ne puisse plus produire de manière stable.
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Évaluer la durée de vie et la fiabilité du laser en analysant les données enregistrées
Si la durée de vie est testée directement dans des conditions de travail, cela prendra beaucoup de temps et la durée sera importante. Par conséquent, il doit exister un ensemble de méthodes scientifiques de dépistage des dispositifs et de prévision de la vie afin de fournir aux utilisateurs des garanties fiables.
Il existe plusieurs façons pour LD d'échouer :
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Échec initial
Ceci est généralement dû à la dégradation rapide de la croissance du DLD et du DSD dans le laser à un stade précoce. Cela reflète principalement les problèmes de qualité dans le processus de fabrication. Les échantillons présentant une défaillance initiale sont plus sensibles au vieillissement thermique accéléré et ont une faible énergie d’activation thermique.
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Échec aléatoire
Ceci est dû à des facteurs externes tels que des décharges électrostatiques, de grandes fluctuations instantanées de courant, des vibrations mécaniques, etc. Ce type d'appareil ne présente aucun signe avant une panne.
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Échec lent
Sa particularité est que les paramètres caractéristiques du laser évoluent lentement dans le temps. Cette panne est destinée à arriver et marque la fin de la durée de vie de l'appareil.
Notre tâche est d'éliminer autant que possible les pannes initiales et d'éviter autant que possible les pannes aléatoires. Établissez une méthode permettant de déterminer les défaillances lentes dans un délai plus court, à savoir le test de vieillissement accéléré.
Le vieillissement dit accéléré consiste à accélérer la dégradation du dispositif dans des conditions plus difficiles ou dans des conditions de surcharge. Ensuite, les données fiables obtenues dans ces conditions difficiles sont extrapolées pour obtenir la valeur de durée de vie dans des conditions normales.
La réussite du test de vieillissement accéléré, la scientificité et la référencement des données, la clé réside dans la détermination des conditions utilisées pour le vieillissement.
Nous savons que la fiabilité de fonctionnement du semi-conducteur LD est étroitement liée à ses paramètres de fonctionnement et à ses conditions de travail externes. Avec l'augmentation de la température de jonction, la durée de vie continue diminue, le courant de travail augmente et le laser se dégrade facilement. La puissance de rayonnement pendant le fonctionnement augmente, ce qui accélère également le processus de dégradation. Par conséquent, ces paramètres peuvent être sélectionnés comme conditions pour le test de vieillissement ou comme paramètres pour examiner leurs modifications.
Le dépistage et les tests de durée de vie du LD utilisent souvent des méthodes de vieillissement accéléré à haute température. Et le mécanisme de vieillissement accéléré à haute température devrait être le même que le mécanisme de dégradation à température de fonctionnement normale. Ce n’est qu’ainsi que la durée de vie attendue extrapolée peut être fiable.
Relation entre le courant de travail et le temps du laser InGaAsP après vieillissement accéléré à 60 degrés Celsius
Les conditions de vieillissement pour cette période sont les suivantes : maintenir la température ambiante de l'appareil à 60 degrés, la puissance optique de sortie unilatérale à 5 mW et observer l'évolution du courant de fonctionnement avec le temps de vieillissement. On peut voir sur la figure que dans les 500 à 1000 premières heures, le courant augmente rapidement, puis un point d'inflexion apparaît, puis il tend vers la saturation.
Sur la base de ces résultats, le dispositif peut être examiné.
Dans le seul mode de dégradation lente du dispositif, la relation entre la durée de vie t du laser semi-conducteur et la température T obéit à la relation exponentielle d'Arrhenius
Ea est l'énergie d'activation et Kb est la constante de Boltzmann. Ea est mesuré en échantillonnant le taux de dégradation. La relation entre le taux de dégradation Rt et la température est également conforme à la relation d'Arrhenius
Généralement, l'énergie d'activation Ea de l'échantillon peut être obtenue en maintenant une puissance optique de sortie constante et en testant le taux de dégradation à différentes températures de vieillissement.
dI/dt correspond à la valeur du taux de dégradation après le point d'inflexion de I(t) dans la figure ci-dessus. Généralement, pour les lasers GaAlAs/GaAs, la valeur moyenne de Ea est d'environ {{0}},7eV ; pour les lasers InGaAsP/InP, la valeur moyenne de Ea est d'environ 1,0eV. La durée de vie est d'environ 10E5~10E6 heures.
De plus, le temps de vieillissement moyen est également un paramètre important pour mesurer la fiabilité du semi-conducteur LD. Le temps de vieillissement moyen à température de fonctionnement normale est également obtenu en testant le temps de vieillissement moyen et l'énergie d'activation dans des conditions de vieillissement à haute température, puis calculé par Arrhenius. La détermination du temps de vieillissement moyen dans des conditions de vieillissement à haute température est basée sur le maintien constant de la puissance de sortie unilatérale et l'augmentation du courant de 50 % comme norme de vieillissement.
La méthode de prédiction basée sur un modèle prédit la durée de vie du laser en établissant un modèle mathématique du laser et en combinant son principe de fonctionnement, ses propriétés matérielles, son environnement de travail et d'autres facteurs. Cette méthode nécessite des connaissances professionnelles et une puissance de calcul élevées, mais elle permet de prédire avec précision la durée de vie du laser.
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