基于双方差随机过程的半导体激光器寿命评估

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.042

工程设计学报

2022, Vol. 29

Issue (3): 293-299 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.042

设计理论与方法

基于双方差随机过程的半导体激光器寿命评估

李军星^1,²(

),李燕科¹,牛凯岑¹,邱明^1,²(

),王治华³,庞晓旭¹,陈立海¹

^1.河南科技大学机电工程学院，河南洛阳 471003
^2.机械装备先进制造河南省协同创新中心，河南洛阳 471003
^3.北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100083

Lifetime evaluation of semiconductor laser based on dual-variance stochastic process

Jun-xing LI^1,²(

),Yan-ke LI¹,Kai-cen NIU¹,Ming QIU^1,²(

),Zhi-hua WANG³,Xiao-xu PANG¹,Li-hai CHEN¹

^1.School of Mechatronical Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China
^2.Advanced Machinery and Equipment Manufacturing Collaborative Innovation Center of Henan, Luoyang 471003, China
^3.School of Aeronautic Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100083, China

全文: PDF(970 KB) HTML

摘要：

针对高可靠、长寿命半导体激光器的寿命评估问题，提出了基于双方差随机过程的性能退化评估方法。该方法不仅考虑了半导体激光器内部失效机理的固有随机性，还考虑了由人为因素、测量仪器等引起的测量随机误差。首先，建立了半导体激光器性能退化模型及其未知参数的极大似然估计方法。然后，基于首达时的概念给出了失效时间分布函数和概率密度函数的解析表达式，以对半导体激光器的可靠性和寿命进行评估。最后，通过半导体激光器寿命评估工程实例验证了所提出方法的适用性和有效性。结果表明：与现有的性能退化模型相比，所构建模型的拟合效果更好，能够提高寿命评估精度。这可为半导体激光器及其整机系统最优维修决策的制定提供有力支撑。

关键词： 半导体激光器; 寿命评估; 双方差随机过程; 性能退化

Abstract:

Aiming at the problem of lifetime evaluation for highly reliable and long-life semiconductor lasers, a performance degradation assessment method based on the dual-variance stochastic process was proposed. This method not only considered the inherent randomness of the internal failure mechanism of semiconductor lasers, but also took into account measurement random errors caused by human factors, measuring instruments and so on. Firstly, the performance degradation model of semiconductor laser and the maximum likelihood estimation method for its unknown parameters were established. Then, based on the concept of first arrival, the analytical expressions of failure time distribution function and probability density function were given to evaluate the reliability and lifetime of semiconductor lasers. Finally, the applicability and effectiveness of the proposed method were verified by a semiconductor laser lifetime evaluation engineering example. The results showed that compared with the existing performance degradation model, the constructed model had better fitting effect and could improve the accuracy of lifetime evaluation, which could provide strong support for the optimal maintenance decision-making of the semiconductor laser and its whole system.

Key words: semiconductor laser lifetime evaluation dual-variance stochastic process performance degradation

收稿日期: 2021-08-23 出版日期: 2022-07-05

CLC:

TH 17

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(52005159);国家重点研发计划资助项目(2019YFB2004403);河南省科技攻关计划资助项目(222102220061);河南省高等学校青年骨干教师培养计划资助项目(2021GGJS048)

通讯作者: 邱明 E-mail: lijunxing@haust.edu.cn;qiuming69@126.com

作者简介: 李军星（1990—），男，河南驻马店人，副教授，博士，从事性能退化建模与寿命评估研究，E-mail：lijunxing@haust.edu.cn，https：//orcid.org/0000-0001-9417-5343

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引用本文:

李军星,李燕科,牛凯岑,邱明,王治华,庞晓旭,陈立海. 基于双方差随机过程的半导体激光器寿命评估[J]. 工程设计学报, 2022, 29(3): 293-299.

Jun-xing LI,Yan-ke LI,Kai-cen NIU,Ming QIU,Zhi-hua WANG,Xiao-xu PANG,Li-hai CHEN. Lifetime evaluation of semiconductor laser based on dual-variance stochastic process[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2022, 29(3): 293-299.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.042 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2022/V29/I3/293

图1 恒定输出功率下不同GaAs激光器的工作电流增长百分比

图2 半导体激光器寿命评估流程

模型	未知参数					Log-LF值	AIC值
模型	$μ b$	$σ b$	$σ$	$σ e$	$ρ$	Log-LF值	AIC值
M0	2.126 9	0.509 7	0.067 8	0.137 6	0.722 6	57.89	-105.79
M1	2.126 4	0.493 2	0.292 9	0.045 0	—	54.88	-101.76
M2	2.126 8	0.490 2	0.319 8	—	—	54.56	-103.11

表1 不同GaAs激光器性能退化模型的未知参数估计值及其拟合效果对比

图3 基于模型M0拟合得到的GaAs激光器平均性能退化曲线

图4 不同GaAs激光器性能退化模型的Q-Q图对比

模型	可靠寿命 $t 0.99$ /h
M0	9 053.2
M1	9 102.5
M2	9 108.8

表2 基于不同模型的GaAs激光器可靠寿命估计结果

图5 基于模型M0的GaAs激光器可靠度估计曲线

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