CN107689831A - 一种激光器阈值电流和斜效率随时间变化计算方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光器阈值电流和斜效率随时间变化计算方法及系统，通过计算激光器加速老化因子A；对激光器进行加速老化，获取激光器的光功率与加速老化时间的关系：P2＝Kacc·Tacc+P0；计算Tuse＝Tacc·A；获得P2＝(I1‑I′th)·SE′、P1＝(I1‑I′th)·SE0、P0＝(I1‑Ith0)·SE0，推导出It′h＝Ith0‑(Kacc·Tuse·m％)/(A·SE0)、SE′＝SE0+(Kacc·Tuse·n％)/[A·(I1‑I′th)]，从而获得阈值电流和斜效率随使用时间Tuse的变化关系，解决了现有技术中缺乏阈值电流和斜效率随使用时间变化的计算方案的问题。

Description

一种激光器阈值电流和斜效率随时间变化计算方法及系统
技术领域
本发明属于光纤通信技术领域，具体地说，是涉及一种激光器阈值电流和斜效率随时间变化计算方法及系统。
背景技术
在光纤通信领域中，光模块是重要的组成部分，其采用激光器完成电信号到光信号的转换。在某些特殊应用场合下，对光模块的可靠性会有更高的要求。而激光器作为一种关键器件，其发光效率将直接影响光模块的工作性能。在长期工作过程中，激光器的发光效率会随着使用时间的增加而有所下降，为了不影响光模块的正常使用，需要对激光器老化的影响因素进行分析，进而完成老化补偿。
在对并行光模块的激光器老化补偿进行开环控制时，我们需要了解其光功率跌落的影响因素，以便在开环补偿中合理设置寿命补偿因子。就激光器的发光特性而言，其影响光功率的因素主要有两个：阈值电流Ith和斜效率SE。其中，阈值电流Ith是指使得激光器有输出功率的最小电流值；当输入电流超出阈值电流时，随着电流的加大，激光器输出功率近似线性增加，这个斜率即为激光器的斜效率SE，其表示了输出光功率随输入电流的变化程度。
光功率的跌落与阈值电流Ith的增加以及斜效率SE的降低有关，这就意味着我们需要增大输入电流来补偿跌落的光功率。由于这两种因素的影响都可以通过电流的增加来补偿，所以如何确定补偿量，需要确定阈值电流和斜效率的影响情况。而现有技术中，缺乏阈值电流和斜效率随时间变化的计算方案。
发明内容
本发明提供了一种激光器阈值电流和斜效率随时间变化计算方法，解决了现有技术中缺乏阈值电流和斜效率随时间变化的计算方案的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案予以实现：
一种激光器阈值电流和斜效率随时间变化计算方法，所述方法包括：
(1)计算激光器加速老化因子A；
(2)对激光器进行加速老化，获取激光器的光功率与加速老化时间的关系：P2＝Kacc·Tacc+P0；
其中，Kacc为斜率，Tacc为加速老化时间，P0为初始光功率，P2为加速老化后的光功率；
(3)计算Tuse＝Tacc·A；
其中，Tuse为在正常使用条件下跌落与加速老化条件下相同光功率的工作时间；
(4)获得阈值电流I′th和斜效率SE′与Tuse的关系：
(41)获得激光器在加速老化后的阈值电流I′th和斜效率SE′，在正常使用条件下的光功率P2＝(I1-I′th)·SE′；其中，I1为正常使用条件下的激光器的工作电流，在该电流值下，加速老化后的激光器的光功率为P2；
(42)获得在阈值电流I′th、斜效率SE0时，在正常使用条件下的光功率P1＝(I1-I′th)·SE0；
(43)获得在初始阈值电流Ith0、初始斜效率SE0时，在正常使用条件下时的光功率P0＝(I1-Ith0)·SE0；
(44)根据上述公式，推导出：
I′th＝Ith0-(Kacc·Tuse·m％)/(A·SE0)；SE′＝SE0+(Kacc·Tuse·n％)/[A·(I1-I′th)]；
其中，表示加速老化后的阈值电流对光功率跌落的影响权重；表示加速老化后的斜效率对光功率跌落的影响权重。
进一步的，所述步骤(1)中，加速老化因子A采用Arrhenius公式进行计算：其中，Jacc为加速老化条件下的电流密度，Juse为使用条件下的电流密度，N为电流加速因子，Ea为激活能，k为波尔兹曼常数，Tjacc为加速老化条件下的节点温度，Tjuse为使用条件下的节点温度。
又进一步的，在步骤(2)中，对多个激光器进行加速老化，获得多个斜率，计算多个斜率的平均值，获得所述的Kacc。
一种激光器阈值电流和斜效率随时间变化计算系统，所述系统包括：
加速老化因子计算模块，用于计算激光器加速老化因子A；
加速老化模块，用于对激光器进行加速老化；
斜率获取模块，用于获取激光器的光功率与加速老化时间的关系：P2＝Kacc·Tacc+P0；其中，Kacc为斜率，Tacc为加速老化时间，P0为初始光功率，P2为加速老化后的光功率；
正常使用时间计算模块，用于计算Tuse＝Tacc·A；其中，Tuse为在正常使用条件下跌落与加速老化条件下相同光功率的工作时间；
获得模块，用于获得阈值电流I′th和斜效率SE′与Tuse的关系：获得激光器在加速老化后的阈值电流I′th和斜效率SE′，在正常使用条件下的光功率P2＝(I1-I′th)·SE′；其中，I1为正常使用条件下的激光器的工作电流，在该电流值下，加速老化后的激光器的光功率为P2；获得在阈值电流I′th、斜效率SE0时，在正常使用条件下的光功率P1＝(I1-I′th)·SE0；获得在初始阈值电流Ith0、初始斜效率SE0时，在正常使用条件下时的光功率P0＝(I1-Ith0)·SE0；根据上述公式，推导出：I′th＝Ith0-(Kacc·Tuse·m％)/(A·SE0)；SE′＝SE0+(Kacc·Tuse·n％)/[A·(I1-I′th)]；其中，表示加速老化后的阈值电流对光功率跌落的影响权重；表示加速老化后的斜效率对光功率跌落的影响权重。
进一步的，所述加速老化因子计算模块，具体用于：采用Arrhenius公式进行计算：其中，Jacc为加速老化条件下的电流密度，Juse为使用条件下的电流密度，N为电流加速因子，Ea为激活能，k为波尔兹曼常数，Tjacc为加速老化条件下的节点温度，Tjuse为使用条件下的节点温度。
又进一步的，所述斜率获取模块，具体用于：对多个激光器进行加速老化，获得多个斜率，计算多个斜率的平均值，获得所述的Kacc。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的激光器阈值电流和斜效率随时间变化计算方法及系统，通过计算激光器加速老化因子A；对激光器进行加速老化，获取激光器的光功率与加速老化时间的关系：P2＝Kacc·Tacc+P0；计算Tuse＝Tacc·A；获得P2＝(I1-I′th)·SE′、P1＝(I1-I′th)·SE0、P0＝(I1-Ith0)·SE0，推导出I′th＝Ith0-(Kacc·Tuse·m％)/(A·SE0)、SE′＝SE0+(Kacc·Tuse·n％)/[A·(I1-I′th)]，从而获得阈值电流和斜效率随使用时间Tuse的变化关系，解决了现有技术中缺乏阈值电流和斜效率随使用时间变化的计算方案的问题。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是本发明所提出的激光器阈值电流和斜效率随时间变化计算方法的一个实施例的流程图；
图2是对激光器进行加速老化时的光功率与加速老化时间的关系曲线；
图3是激光器的PI曲线图；
图4是本发明所提出的激光器阈值电流和斜效率随时间变化计算系统的一个实施例的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
本实施例的激光器阈值电流和斜效率随时间变化计算方法，主要包括下述步骤，参见图1所示。
步骤S1：计算激光器加速老化因子A。
加速老化因子A采用Arrhenius公式进行计算：
其中，Jacc为加速老化条件下的电流密度，Juse为正常使用条件下的电流密度，单位为A/m2；N为电流加速因子，Ea为激活能，k为波尔兹曼常数，Tjacc为加速老化条件下的节点温度，Tjuse为使用条件下的节点温度。
根据激光器类别或是通过大量的老化试验可以确定激活能Ea和电流加速因子N值。其他试验条件和使用条件已知，如：Tjacc为85℃，Tjuse为25℃，Jacc、Juse根据实际需求选择合适的值，即可确定加速因子A值。
步骤S2：对激光器进行加速老化，获取激光器的光功率与加速老化时间的关系：P2＝Kacc·Tacc+P0。
在加速老化过程中，对激光器发射的光功率进行实时监测，绘出P-Tacc曲线，如图2所示，即可得到光功率与加速老化时间的关系：P2＝Kacc·Tacc+P0。
其中，Kacc为斜率，Tacc为加速老化时间，P0为初始光功率，P2为加速老化后的光功率。即，激光器在经过Tacc时间的加速老化后，光功率从P0跌落至P2。
参见图2所示，初始光功率P0＝1.44mW，加速老化时间Tacc＝1500h，光功率跌落至P2＝1.32mW。
在该步骤中，对多个激光器进行加速老化，分别获得每个激光器的光功率与加速老化时间的关系，即获得多个斜率，计算多个斜率的平均值，获得所述的Kacc，以提高斜率的准确性。
步骤S3：计算Tuse＝Tacc·A。
Tuse为在正常使用条件下跌落与加速老化条件下相同光功率的工作时间。即，由加速老化条件下的工作时间Tacc，推算出正常使用条件下，跌落相同的光功率，激光器所能工作的时间Tuse。
例如，光功率从P0跌落至P2，在加速老化条件下，需要Tacc＝1500h；
光功率从P0跌落至P2，在正常使用条件下，需要Tuse＝Tacc·A＝150000h。
步骤S4：获得阈值电流I′th和斜效率SE′与Tuse的关系。
参见图3所示，曲线②表示激光器在加速老化后，在正常使用条件下，监测光功率，获得的P-I曲线。获取激光器在加速老化后的阈值电流I′th和斜效率SE′，在正常使用条件下的光功率P2＝(I1-I′th)·SE′；其中，I1为正常使用条件下的激光器的工作电流，在该电流值下，加速老化后的激光器的光功率为P2。
曲线①表示在进行加速老化之前测定的P-I曲线，Ith0表示初始的阈值电流，曲线的斜率表示初始斜效率SE0。当施加I1的电流时，激光器发射的光功率为P0。即，获得在初始阈值电流Ith0、初始斜效率SE0时，在正常使用条件下时的光功率P0＝(I1-Ith0)·SE0。
为了分开考虑阈值电流和斜效率变化对光功率跌落的影响，绘制曲线③，表示加速老化后，只考虑阈值电流的影响，不考虑斜效率变化的情况下，光功率随电流变化的情况。即，获得在阈值电流I′th、斜效率SE0时，在正常使用条件下的光功率P1＝(I1-I′th)·SE0。
施加相同的电流值I1，曲线①、②、③分别对应光功率P0、P1、P2，从P0-P1，体现了阈值电流变化对光功率的影响(m％·ΔP)，P1-P2则体现了斜效率变化对光功率的影响(n％·ΔP)。其中ΔP＝P0-P2，表示跌落的光功率值，m％和n％分别表示两种因素的对光功率跌落的影响权重，m％+n％＝1。
即，表示加速老化后的阈值电流对光功率跌落的影响权重；表示加速老化后的斜效率对光功率跌落的影响权重。
具体推导过程如下：
公式1：P0＝(I1-Ith0)·SE0；
公式2：P1＝(I1-I′th)·SE0；
公式3：P2＝(I1-I′th)·SE′；
公式1-公式2得到公式4：ΔP·m％＝P0-P1＝(I′th-Ith0)·SE0；
公式2-公式3得到公式5：ΔP·n％＝P1-P2＝(I1-I′th)·(SE0-SE′)；
公式6：P2＝Kacc·Tacc+P0；
公式7：Tuse＝Tacc·A；
公式7代入公式6得到公式8：ΔP＝P0-P2＝-Kacc·Tuse/A；
通过公式4、5、8，计算得到I′th和SE′：
公式9：I′th＝Ith0-(Kacc·Tuse·m％)/(A·SE0)；
公式10：SE′＝SE0+(Kacc·Tuse·n％)/[A·(I1-I′th)]。
由此推导出阈值电流和斜效率随使用时间Tuse的变化关系，进而完成了激光器光功率跌落的影响因素分析，为确定寿命补偿因子提供了必要条件。
本实施例的激光器阈值电流和斜效率随时间变化计算方法，通过计算激光器加速老化因子A；对激光器进行加速老化，获取激光器的光功率与加速老化时间的关系：P2＝Kacc·Tacc+P0；计算Tuse＝Tacc·A；获得P2＝(I1-I′th)·SE′、P1＝(I1-I′th)·SE0、P0＝(I1-Ith0)·SE0，推导出I′th＝Ith0-(Kacc·Tuse·m％)/(A·SE0)、SE′＝SE0+(Kacc·Tuse·n％)/[A·(I1-I′th)]，从而获得阈值电流和斜效率随使用时间Tuse的变化关系，解决了现有技术中缺乏阈值电流和斜效率随使用时间变化的计算方案的问题。
本实施例的计算方法，根据激光器加速老化后的阈值电流和斜效率对光功率跌落的影响权重，推算出在整个激光器正常使用过程中，阈值电流和斜效率随使用时间的变化关系。根据阈值电流和斜效率随时间的变化关系，以及初始阈值电流和初始斜效率，就可以在光模块开发过程中，计算出精确的寿命补偿因子，将寿命补偿因子置入激光器驱动芯片的数字控制器中，进而维持激光器光功率基本保持不变。
本实施例从根本上分析了激光器在老化过程中光功率跌落的影响因素—即阈值电流和斜效率随时间的变化关系，量化了阈值电流和斜效率随时间的变化关系了，为推出寿命补偿因子的预设值提供了必要前提，对于寿命补偿因子的获取进而完成激光器的开环补偿具有十分重要的意义，同时也为PHM(Prognostics and System Health Management)系统在建立光模块寿命模型上的应用提供了新的方法和途径，对于PHM系统通过检测失效征兆来预测故障、建立残余寿命模型、完成光电产品可靠性的准确实时评估具有重要意义。
基于上述激光器阈值电流和斜效率随时间变化计算方法的设计，本实施例还提出了一种激光器阈值电流和斜效率随时间变化计算系统，所述系统包括加速老化因子计算模块、加速老化模块、斜率获取模块、正常使用时间计算模块、获得模块等，参见图4所示。
加速老化因子计算模块，用于计算激光器加速老化因子A。
加速老化模块，用于对激光器进行加速老化。
斜率获取模块，用于获取激光器的光功率与加速老化时间的关系：P2＝Kacc·Tacc+P0；其中，Kacc为斜率，Tacc为加速老化时间，P0为初始光功率，P2为加速老化后的光功率。
正常使用时间计算模块，用于计算Tuse＝Tacc·A；其中，Tuse为在正常使用条件下跌落与加速老化条件下相同光功率的工作时间。
获得模块，用于获得阈值电流I′th和斜效率SE′与Tuse的关系：获得激光器在加速老化后的阈值电流I′th和斜效率SE′，在正常使用条件下的光功率P2＝(I1-I′th)·SE′；其中，I1为正常使用条件下的激光器的工作电流，在该电流值下，加速老化后的激光器的光功率为P2；获得在阈值电流I′th、斜效率SE0时，在正常使用条件下的光功率P1＝(I1-I′th)·SE0；获得在初始阈值电流Ith0、初始斜效率SE0时，在正常使用条件下时的光功率P0＝(I1-Ith0)·SE0；根据上述公式，推导出：I′th＝Ith0-(Kacc·Tuse·m％)/(A·SE0)；SE′＝SE0+(Kacc·Tuse·n％)/[A·(I1-I′th)]；其中，表示加速老化后的阈值电流对光功率跌落的影响权重；表示加速老化后的斜效率对光功率跌落的影响权重。
所述加速老化因子计算模块，具体用于：采用Arrhenius公式进行计算：其中，Jacc为加速老化条件下的电流密度，Juse为正常使用条件下的电流密度，N为电流加速因子，Ea为激活能，k为波尔兹曼常数，Tjacc为加速老化条件下的节点温度，Tjuse为使用条件下的节点温度。
所述斜率获取模块，具体用于：对多个激光器进行加速老化，获得多个斜率，计算多个斜率的平均值，获得所述的Kacc。
具体的激光器阈值电流和斜效率随时间变化计算系统的工作过程，已经在上述激光器阈值电流和斜效率随时间变化计算方法中详述，此处不予赘述。
本实施例的激光器阈值电流和斜效率随时间变化计算系统，通过计算激光器加速老化因子A；对激光器进行加速老化，获取激光器的光功率与加速老化时间的关系：P2＝Kacc·Tacc+P0；计算Tuse＝Tacc·A；获得P2＝(I1-I′th)·SE′、P1＝(I1-I′th)·SE0、P0＝(I1-Ith0)·SE0，推导出I′th＝Ith0-(Kacc·Tuse·m％)/(A·SE0)、SE′＝SE0+(Kacc·Tuse·n％)/[A·(I1-I′th)]，从而获得阈值电流和斜效率随使用时间Tuse的变化关系，解决了现有技术中缺乏阈值电流和斜效率随使用时间变化的计算方案的问题。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种激光器阈值电流和斜效率随时间变化计算方法，其特征在于：所述方法包括：
(1)计算激光器加速老化因子A；
(2)对激光器进行加速老化，获取激光器的光功率与加速老化时间的关系：P2＝Kacc·Tacc+P0；
其中，Kacc为斜率，Tacc为加速老化时间，P0为初始光功率，P2为加速老化后的光功率；
(3)计算Tuse＝Tacc·A；
其中，Tuse为在正常使用条件下跌落与加速老化条件下相同光功率的工作时间；
(4)获得阈值电流I′th和斜效率SE′与Tuse的关系：
(41)获得激光器在加速老化后的阈值电流I′th和斜效率SE′，在正常使用条件下的光功率P2＝(I1-I′th)·SE′；其中，I1为正常使用条件下的激光器的工作电流，在该电流值下，加速老化后的激光器的光功率为P2；
(42)获得在阈值电流I′th、斜效率SE0时，在正常使用条件下的光功率P1＝(I1-I′th)·SE0；
(43)获得在初始阈值电流Ith0、初始斜效率SE0时，在正常使用条件下时的光功率P0＝(I1-Ith0)·SE0；
(44)根据上述公式，推导出：
I′th＝Ith0-(Kacc·Tuse·m％)/(A·SE0)；SE′＝SE0+(Kacc·Tuse·n％)/[A·(I1-I′th)]；
其中，表示加速老化后的阈值电流对光功率跌落的影响权重；表示加速老化后的斜效率对光功率跌落的影响权重。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，加速老化因子A采用Arrhenius公式进行计算：
其中，Jacc为加速老化条件下的电流密度，Juse为使用条件下的电流密度，N为电流加速因子，Ea为激活能，k为波尔兹曼常数，Tjacc为加速老化条件下的节点温度，Tjuse为使用条件下的节点温度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤(2)中，对多个激光器进行加速老化，获得多个斜率，计算多个斜率的平均值，获得所述的Kacc。
4.一种激光器阈值电流和斜效率随时间变化计算系统，其特征在于：所述系统包括：
加速老化因子计算模块，用于计算激光器加速老化因子A；
加速老化模块，用于对激光器进行加速老化；
斜率获取模块，用于获取激光器的光功率与加速老化时间的关系：P2＝Kacc·Tacc+P0；其中，Kacc为斜率，Tacc为加速老化时间，P0为初始光功率，P2为加速老化后的光功率；
正常使用时间计算模块，用于计算Tuse＝Tacc·A；其中，Tuse为在正常使用条件下跌落与加速老化条件下相同光功率的工作时间；
获得模块，用于获得阈值电流I′th和斜效率SE′与Tuse的关系：获得激光器在加速老化后的阈值电流I′th和斜效率SE′，在正常使用条件下的光功率P2＝(I1-I′th)·SE′；其中，I1为正常使用条件下的激光器的工作电流，在该电流值下，加速老化后的激光器的光功率为P2；获得在阈值电流I′th、斜效率SE0时，在正常使用条件下的光功率P1＝(I1-I′th)·SE0；获得在初始阈值电流Ith0、初始斜效率SE0时，在正常使用条件下时的光功率P0＝(I1-Ith0)·SE0；根据上述公式，推导出：I′th＝Ith0-(Kacc·Tuse·m％)/(A·SE0)；SE′＝SE0+(Kacc·Tuse·n％)/[A·(I1-I′th)]；其中，表示加速老化后的阈值电流对光功率跌落的影响权重；表示加速老化后的斜效率对光功率跌落的影响权重。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述加速老化因子计算模块，具体用于：采用Arrhenius公式进行计算：其中，Jacc为加速老化条件下的电流密度，Juse为使用条件下的电流密度，N为电流加速因子，Ea为激活能，k为波尔兹曼常数，Tjacc为加速老化条件下的节点温度，Tjuse为使用条件下的节点温度。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述斜率获取模块，具体用于：对多个激光器进行加速老化，获得多个斜率，计算多个斜率的平均值，获得所述的Kacc。
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