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大功率半导体激光器加速寿命测试方法0 前言大功率半导体激光器的应用领域越来越广泛，其可靠性非常重要，且寿命是衡量可靠性的重要指标之一。
然而，大功率激光器的工作寿命还没有一个国际标准定义，也没有标准的加速检测方法。
大量长寿命的无Al激光器的高温加速老化寿命试验也是在假定了激活能的基础上进行的，这样进行试验由于不知道不确定失效的机理，得到的寿命数据也是不能令人信服的。
本文基于加速寿命试验的基本概念，参考普通半导体器件寿命测试方法，通过两次高温加速老化，绘制激光器的老化曲线，计算出激活能，然后利用所求的激活能通过统计学的方法，反推出室温下器件的寿命值。
1 试验与计算分析本试验分别在40、80℃下对20只随机抽取的波长808 nm的无Al连续输出功率为1 W的单管激光器进行1.2 A恒流老化。
老化前抽出10只在室温下进行P-I-Y 测试，如图1所示。
加速老化试验过程分两个方面同时进行，一半器件用半导体激光器功率老化设备进行40℃(不控温)下的老化，由探测器定时自动采集光功率相对值并由电脑记录；另外一半放置于温度设定为80℃的高低温试验箱中通过探测器手工定时采集激光器的功率。
两次试验电流恒定控制为1.2 A。
图2和图3为老化过程中的功率退化曲线。
试验中规定相对功率下降30％为激光器失效时间。
40℃下的中位寿命为3 000 h；80℃下的中位寿命为330 h。
器件失效从根本上讲都是基本的物理化学过程，而温度对于许多物理化学过程来讲都是一个重要因素，温度升高以后，这些变化过程大大加快，器件失效过程被加速，试验总结出来阿列尼乌斯(Arrhenius)经验公式式中，L为寿命，Ea为激活能，A为常数，k(8.62×10-5eV／K)为波尔兹曼常数，T为热力学温度。
确定了失效模式的激活能以后，就可以得出加速系数τ。
设室温T0下寿命为L0，加速试验中温度T1下寿命为L1，温度T2下的寿命为L2(T2>T1)，则激活能的计算式为不同温度下Ea与τ的关系如图4所示，不同温度下，温度越高，曲线斜率越大，加速效果越明显；相同温度下，激活能越大，加速系数越大。
大功率半导体激光器温度控制算法的研究的开题报告一、研究背景随着激光技术在现代科学中的广泛应用，大功率半导体激光器在冶金、材料加工、医学、通讯等领域也得到了广泛应用。
然而，大功率半导体激光器的温度控制问题一直是激光器研发的热点之一。
由于半导体激光器工作时会产生大量的热量，如果无法及时有效地控制激光器的温度，容易导致激光器故障，从而影响激光器的性能和寿命。
当前，常用的大功率半导体激光器温度控制算法主要包括PID算法、H∞控制算法、神经网络算法、遗传算法等。
但是，由于激光器内部的非线性因素、复杂的动态变化和外部噪声等因素的影响，温度控制算法的稳定性和动态性都存在较大的挑战，需要在算法的设计和优化方面进行深入研究。
二、研究内容和目标本文旨在研究大功率半导体激光器温度控制算法，探讨各种算法的优缺点及其适用范围。
具体研究内容包括：1. 分析大功率半导体激光器的工作原理和温度控制特点；2. 综述常用的大功率半导体激光器温度控制算法，比较其优缺点；3. 提出一种基于模型预测控制算法的大功率半导体激光器温度控制新方案；4. 在MATLAB/Simulink环境下进行温度控制仿真实验，并对模型预测控制算法进行实验验证；5. 对比实验结果，评估新算法的温度控制效果，提出优化建议。
研究目标：1. 对比不同的大功率半导体激光器温度控制算法，找出优缺点；2. 针对大功率半导体激光器温度控制中存在的问题，提出新的控制方案；3. 在实验验证中，验证新的温度控制算法的稳定性和动态性；4. 优化新算法的温度控制效果，提高大功率半导体激光器的性能和寿命。
三、研究方法本文采用文献综述、理论分析和仿真实验相结合的研究方法。
文献综述：对大功率半导体激光器的温度控制算法、温度控制的相关技术和研究现状进行深入综述，为后续研究提供理论支持和技术保障。
理论分析：基于大功率半导体激光器的工作原理和各种温度控制算法的优缺点，提出新的温度控制方案，并进行仿真实验。
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文章编号:100123806(2004)0320228203半导体激光器加速寿命测试系统研制亢俊健1,张世英2,苏美开3,王大成4(1.石家庄经济学院光电技术研究所,石家庄050031;2.西安武警工程学院通信系,西安710086;3.北京理工大学光电工程系,北京100081;4.交通部水运科学研究所,北京100088)摘要:介绍了半导体激光器(LD )加速寿命测试的理论依据,给出了寿命测试的数学模型,并据此研制了新型LD 寿命测试系统。
该系统在密封抽真空充氮环境下,通过采集恒功工作LD 的工作电流随时间变化的信息及所处环境的温度,绘制出LD 的老化曲线,即恒功条件下的“I 2t 曲线”,然后推断LD 的使用寿命。
关键词:激光与光电子学;半导体激光器;加速寿命测试;Arrhenius 模型中图分类号:T N248.4 文献标识码:ADevelopment for semiconductor laser accelerating lifetime testing systemK ANG Jun 2jian 1,ZH ANG Shi 2ying 2,SU Mei 2kai 3,WANG Da 2cheng4(1.Institute of Opto 2electronic ,Shijiazhuang University of Economics ,Shijiazhuang 050031,China ;2.Department of C ommunica 2tion ,X i ’an Engineering C ollege of Armed P olice F orce ,X i ’an 710086,China ;3.Department of Opto 2electronic Engineering ,Bei 2jing Institute of T echnology ,Beijing 100081,China ;4.Institute of Waterborne T ransportation ,Ministry of C ommunications ,Beijing 100088,China )Abstract :This paper introduces the theory of laser diode (LD )accelerating lifetime testing and mathematic m odel of life testing ,based on wihich a new type of LDs burn 2in &automatic life testing system was developed.It continuously samples the power of LDs which w orks under automatic current control and under the airproof condition filled with nitrogen at testing temperature ,plots power 2time curve of LD and deduces the w orking life of LD.K ey w ords :laser and optoelectronics ;semiconductor laser ;accelerating lifetime testing ;Arrhenius m odel 作者简介:亢俊健(19602),男,副教授,博士,主要从事智能及LD 参数测试仪器等方向的研究。
半导体激光器的最佳的工作温度范围半导体激光器，这玩意儿听起来挺高大上的，但实际上，它跟我们日常生活息息相关。
你用的光纤通信、激光打印、甚至家里的DVD播放器，都离不开它。
而今天，咱们就来聊聊半导体激光器的最佳工作温度范围。
半导体激光器，简单来说，就是一种能将电能转化为激光的神奇装置。
它的工作原理挺复杂的，但咱们可以简单理解为：通过给半导体材料通电，让电子跃迁到高能级，然后再跳回低能级时释放出激光。
这过程听起来就像是在玩一场电子版的“蹦床”，电子们上上下下，最后蹦出了咱们需要的激光。
不过，你可别以为半导体激光器是个“铁打的汉子”，啥环境都能扛得住。
实际上，它可是个“娇气包”，对工作温度的要求挑剔得很。
温度太高或太低，都会影响它的工作效率和寿命。
咱们先说温度太高的情况。
你想啊，夏天咱们都热得受不了，得开空调降温，半导体激光器也一样。
如果它工作时的温度过高，里面的电子们就会“热得慌”，到处乱跑，导致激光输出不稳定，效率下降。
这就像咱们热得心烦意乱，啥事儿都干不好一样。
而且，长期高温工作还会让半导体材料老化得更快，缩短激光器的寿命。
那温度太低又会咋样呢？嗯，这就好比咱们冬天冻得直哆嗦，啥活儿都干不利索。
半导体激光器在低温下工作时，电子们也会“冻得僵硬”，活动不灵活。
这样一来，激光器的启动就会变慢，输出的激光强度也会减弱。
这就好像咱们冷得手脚僵硬，干啥都不方便一样。
所以呀，半导体激光器得有个最佳的工作温度范围，才能发挥出最好的性能。
这个范围一般是在十几度到几十度之间，具体还得看不同的激光器型号和用途。
在这个温度范围内，电子们既能保持足够的活跃度，又不会“热得过头”或“冻得僵硬”，激光器就能稳定、高效地工作了。
为了达到这个最佳工作温度范围，咱们可是得费一番心思的。
比如，在激光器内部安装温度传感器和温控系统，实时监测温度并进行调节。
如果温度过高，就启动散热装置，比如风扇或者水冷系统，给激光器降降温；如果温度过低，就加热一下，让它暖和暖和。
大功率半导体激光器老化系统设计曹军胜【摘要】本文介绍了一种可供60支器件同时老化的大功率半导体激光器老化系统，可对每支参加老化器件的工作电流、工作电压、输出光功率等参数进行定时采集，并对热沉温度、冷却循环水的流量、水压进行实时监测，具有功能完备、可靠性高的优点，可供大功率激光器的研制和应用单位推广使用。
%This paper introduces a kind of aging system for high power semiconductor lasers, which could accommodate at most 60 devices at the same time. The aging system can carry out timing acquisition for each device's parameters such as working current, working voltage, the output optical power, sink temperature, rate of flow of the cooling circulating water, water pressure and so on. The system has the advantages of function complete, high reliability. It has a board application and can be used for high power lasers and application units to promote the use of it.【期刊名称】《仪器仪表用户》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】3页(P60-62)【关键词】半导体激光器;老化系统;实时监测【作者】曹军胜【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033【正文语种】中文【中图分类】TN240 引言大功率半导体激光器及大功率半导体激光器泵浦固体激光器在材料加工、激光打标、激光测距、激光存储、激光显示、照明、激光医疗等民用领域，以及激光制导、激光夜视、激光武器等军用领域得到广泛应用[1-2]，已成为影响国民经济发展和国防安全保障的核心电子器件。
大功率半导体激光器的寿命与可靠性研究随着科技的不断发展，大功率半导体激光器在许多领域中被广泛应用，如通信、激光加工、医疗等。
然而，无论在任何应用领域中，激光器的寿命和可靠性都是一个非常重要的研究方向。
本文将从大功率半导体激光器的寿命和可靠性两方面进行探讨。
一、大功率半导体激光器的寿命研究1.温度：温度是影响激光器寿命的重要因素之一、过高的温度会导致激光器内部的电流密度过大，使得半导体材料产生过多的载流子，从而增加激光器的老化速度。
2.电流：电流是激光器工作的重要参数，合理的驱动电流可以保证激光器的稳定性和寿命。
过大的电流会导致激光器产生过多的热量，从而影响激光器的寿命。
3.封装方式：封装方式是影响激光器寿命的重要因素之一、合理的封装方式可以有效降低激光器的工作温度和电流密度，从而延长激光器的寿命。
4.波长：不同的波长对激光器的寿命影响也是不同的。
一般来说，对于同一类型的激光器，较长波长的激光器寿命较长。
为了研究大功率半导体激光器的寿命，可以采用以下方法：1.寿命测试：通过长时间的连续工作来测试激光器的寿命。
在测试过程中，可以记录不同时间段的激光输出功率，通过对比分析来评估激光器的寿命情况。
2.温度测试：通过改变激光器的工作温度，来研究温度对激光器寿命的影响。
可以通过调整激光器的驱动电流来改变激光器的工作温度，进而分析激光器的寿命变化。
二、大功率半导体激光器的可靠性研究1.应力：激光器工作过程中产生的应力是影响激光器可靠性的重要因素之一、应力会导致激光器内部材料的变形和疲劳，从而影响激光器的性能和寿命。
2.防护措施：合理的防护措施可以有效保护激光器免受外界环境的干扰，从而提高激光器的可靠性。
例如，通过加装冷却装置来降低激光器的工作温度，或者对激光器进行防尘、防湿等处理。
3.设计结构：合理的激光器设计结构可以降低应力集中的情况，从而提高激光器的可靠性。
例如，采用微梁结构可以减少应力集中，提高激光器的可靠性。
大功率半导体激光器加速寿命测试方法说实话大功率半导体激光器加速寿命测试方法这事儿，我一开始也是瞎摸索。
我试过好几种方法呢。
最开始我就想着简单点，提高它的工作温度和工作电流，想着这样不就能加速它的老化过程，测试出寿命了嘛。
结果可惨了，好多激光器直接就坏掉了，根本不是正常的衰老过程。
后来我才明白，这就好比人跑步，你不能一下子让他从慢跑变成冲刺，得有个过渡。
那我就调整了策略。
我先慢慢地提高工作温度，一点一点来，一小步一小步的。
这就像给它的工作环境慢慢升温，从春天到夏天那样。
然后观察它的一些性能参数，像输出功率、波长这些。
我发现不同的激光器在这个缓慢升温过程里反应还不太一样。
这时候我犯了个错，我没有好好记录每一个阶段每个激光器的单独参数，后来分析的时候就特别乱。
后来我就学聪明了。
我给每个激光器都做了个小档案，就像每个人有个小病历本一样。
每次调整温度或者电流，就把它的表现写在上面。
在增加电流的时候也是小心翼翼的，先增加一点点，稳定一会儿再继续增加，就像给气球慢慢打气一样，太急了气球就爆了。
另外，我还考虑到环境因素。
之前我忽略了湿度对它的影响。
我有一种激光器放在一个湿度有点高的地方测试，结果它的寿命比放在干燥地方的同类激光器要短很多。
所以我后来就特别注意控制测试环境的湿度，把湿度保持在一个稳定的值。
还有一个小技巧我发现的。
就是在测试过程中，偶尔让激光器休息一下，就像人工作也需要休息一样。
这样它可能更能真实地反映出正常使用下的寿命情况。
不过这一点我还不是很确定，我觉得可能还需要更多的测试来验证。
我还试过改变激光器的散热条件来加速测试。
不过这个我得提醒一下，要是散热一下子变得很差，激光器特别容易坏。
就好像人在很热的环境里没有空调一样，身体很容易出问题。
我得试着找到一个合适的散热条件改变范围，既能加速寿命测试，又不会让激光器莫名其妙地坏掉。
我现在还在不断摸索，希望这些经验能给你们一点启发。
半导体激光器（1550/1310）高低温循环寿命研究
苏美开
（济南福来斯光电技术室，flsoe@ ）
摘要：研究了通信用的1310nm 半导体激光二极管(LD)组件的使用寿命。
通过实验，模拟不同环境条件下，对其进行了高低温循环寿命的实验研究，建立了循环寿命的数学模型。
结果表明：循环寿命与循环的温差、循环的速度成指数关系，通过测试器件在高温差、高循环速度条件下的循环寿命，外推器件正常工作条件下的循环寿命。
从而得到器件可靠性数据，为工艺设计人员提出量化数据。
关键词：半导体激光器组件，高低温循环寿命，寿命数学模型
Research on High-low Temperature Cycle Lifetime of 1310nm LDs Modules
Abstract : A mathematical model of the cycle lifetime of Laser Diode (LD) has been established. Studied on high-low temperature cycle lifetime of 1310 nm LD modules by experiment under different simulation environmental conditions. The result shows that cycle lifetime has index relation to the temperature difference of cycle and cycle speed. By testing the cycle lifetime of LDs under the high temperature difference and high cycle rate conditions, the cycle lifetime of LDs under the ordinary working conditions can be estimated.
Key words : Semiconductor Laser Module, High-low Temperature Cycle Lifetime, Mathematical Model of Lifetime
1. 引言
1310nm 是光纤通信常用的工作波长，单模光纤在该处的能量损耗只有0.40d B 。
因此1310nm LD 组件成为光通信的核心器件。
然而光纤链路必须经受苛刻的环境条件，根据国际通信行业BELLCORE 标准[1]，用在非控环境（UNC ）的器件需要做高温加速寿命测试和-40℃～85℃的高低温循环寿命测试，对于高温加速寿命试验的方法和经验模型已有许多文献描述[2-5]，并得到了器件的高温筛选方法和寿命模型。
对高低温循环的详实实验方法及经验模型却未见报导。
由于材料热膨胀系数的不同，高低温循环主要作用对接合点、粘接料、界面和透镜固定等的考验。
为了预测1310nm LD 组件的工作可靠性，考察其高低温循环寿命，通过实验研究了40只器件随循环次数输出功率的变化情况，据此给出了高低温循环筛选试验的最佳循环次数。
得到了高低温循环的寿命模型。
利用该模型可以计算出不同热应力下、不同循环次数和不同循环速度对器件的影响。
2. 实验测试
2.1样品准备
如图1，选用同一批次、刚刚生产的、未经高低温筛选的、封装形式为TO5.6的1310nm LD 组件40只，器件采用内密封金属封装，且有聚焦球透镜。
如图1所示。
LD 有源区向上被易熔焊料Au/Sn 焊在硅热沉上，热沉用软焊料Pb/Sn 焊在被镀金的圆形铜座上，球透镜被固定在LD 的前镜面（约100um ）。
测试前在室温25℃下测量其恒功率输出（P ＝5mW ）时阈值电流I th 、工作电流I op 、外量子效率η。
图1. 1310nm LDTO5.6组件外观
2.2实验步骤
为了考察不同温度范围、不同循环速度对器件寿命的影响，将40只器件分成四组固定在四个相同型号的高低温循环箱，循环箱温度设定精度为1℃。
循环时器件不加电，实验过程中最后和中间按照计划进度测试几个点，如表1所示。
应该注意的是，中间测试过程中，器件的温度应先降至（或升至）室温25℃再测试，且中间停留时间尽可能短。
表1.温度测试循环实验次序
2.4寿命模型
假设失效标准Δη＝10%，记录下循环次数对应的失效器件数目。
累计失效分布如图3所示，满足威布尔分布。
下面我们对测试结果分析，从而建立一个数学模型。
先看看四种情况的中值寿命，如表2所示。
表2 四种情况的中值寿命
从表可以看出，外界环境影响器件寿命的因素有两个：一是循环温差ΔT ，另一个是循环速度σ,温差越大，循环寿命越小，反之亦然。
同样，循环速度越快，循环寿命越小，反之亦然。
下面定量讨论它们的关系。
设循环次数为N,失效率为F ，则根据图3有：
b N k F +=)ln( （1）
其中k 是与循环速度有关的常数，b 与循环温差ΔT 有关的常数。
由（1）得
)/exp()/exp(k b k F N -= （2） 设T E b ∆'
=
, k=k ´σ(其中E ´、k ´为比例常数)，则（2）式可以写为： )exp()exp(T
E
k F N ∆-'=σσ （3）
其中E ＝E ´/k ´为常数。
(3)式是器件循环次数与失效率关系的近似表达式子。
例如，确定F 值（如
50%）便可求得中值寿命对应的循环次数。
当循环速度σ确定时，由（3）式可以求得循环次数与温差的关系
)exp(T E C N T T ∆-
=＝)exp(1
2T T E C T
-- (4) 其中E T =E/σ, )exp(
σ
k F
C '=。
(4)式从形式上与Arrhenius 模型[2]是一致的。
当循环温差ΔT 确定时，改变循环速度，由（3）式可以求得循环次数与循环速度的关系
)exp(σ
σσE
N = (5)
其中，)(T
E k
F E ∆-'=σ。
图4是六种热循环情况（增加一个60℃温差实验）中值寿命（达到50%失效）随循环温差幅度变化的半对数曲线。
方点和圆点分别代表两种循环速度：σ＝2℃/min 和σ＝10℃/min 。
实验值半对数曲线成线性分布，与理论模型符合较好。
从图4可以求出在正常环境条件下，例如ΔT ＝20ºK,循环速度为σ＝2℃/min ，外效率标准降低0.5dB 时，器件中位寿命约为3000个循环；而当ΔT ＝20ºK,σ＝10℃/min 时，器件中位寿命约为1000个循环。
3. 结论
模拟了不用环境条件下对1310nmLD 组件进行了高低温循环寿命的实验研究，得到了循环寿命
图
4. 不同温差下，器件达到50%失效中值寿命半对数曲线
的数学模型，结果表明：1310nm半导体激光器的寿命不仅与使用的环境温度有关[6]，而且与使用环境的温差变化幅度、变化速度有关。
循环寿命与循环的温差、循环的速度成指数关系。
利用这个结论，通过测试器件在高温差、高循环速度条件下的寿命，外推器件正常条件下的循环寿命，从而得到器件可靠性数据，为工艺设计人员提出量化数据。
参考文献
[1]Bellcore issue 1-1998，Generic Requirments GR-468-CORE [S]
[2]亢俊健，苏美开，王大成，LD老化筛选及寿命测试系统[J]，计算机测量与控制，2003，11（4）：
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[3]Paine,B.M. ThomasⅢ,S. Delaney,M.J. Low-Temperature, High-current Lifetests on InP-Based HBT’S[A]. 39th Annual International Reliability Physics Symposium[C]. America: IEEE,2001: 206-213 [4]Nara Hwang Gwan-Chong Joo Sang-Hwan Lee et al. Structure-dependent reliability assessment of 1.3 μm InGaAsP/InP uncooled laser diodes b y accelerated aging test[A], 46th Electronic Components and Technology Conference. Proceedings[C]. America: IEEE,1996:1308-1311
[5]Fritz, W.J. Analysis of rapid degradation in high-power (AlGa)As laser diodes[J], Quantum Electronics. IEEE Journal, 1990(26):68-74
[6]苏美开，高稚允等，LD加速寿命测试中的积分球扫描法[J]，光学技术，2004,30（2），164—165
作者简介：苏美开，1964年10月生于山东省莱阳市，北京理工大学光电工程学毕业，博士学位，济南福来斯光电技术有限公司总工，石家庄经济学院特聘教授。
