JP5056549B2

JP5056549B2 - 光半導体素子の寿命予測方法および光半導体素子の駆動装置

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Publication number: JP5056549B2
Application number: JP2008098322A
Authority: JP
Inventors: 毅大郷
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2008-04-04
Filing date: 2008-04-04
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2028-04-04
Also published as: US20090254287A1; JP2009252960A; US8301399B2

Description

本発明は、光計測システムに用いられるスーパールミネッセントダイオード等の光半導体素子の寿命予測方法に関するものである。

スーパールミネッセントダイオードは通常の発光ダイオード同様にインコヒーレント性を示し、かつ広帯域なスペクトル形状を示しながら、光出力特性では半導体レーザ同様に数十ｍＷ程度までの光出力を得ることが可能な光半導体素子である。スーパールミネッセントダイオードはその特徴からファイバジャイロや高分解能ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometer：光時間領域反射測定）、医療分野におけるＯＣＴ（Optical Coherence Tomography：光断層干渉計）など光計測の分野で必要とされるインコヒーレント光源として期待されている。

スーパールミネッセントダイオードをはじめとした光半導体素子では、駆動時間と共に、駆動装置における所定の駆動出力値を維持するために必要な駆動電流値が徐々に増加する現象、或いは所定の駆動電流値で光半導体素子を発光させると駆動出力値が徐々に低下する現象（いわゆる劣化）が生じることが知られている。計測システムで光半導体素子を用いる場合には、これらを勘案して自動光出力調整（ＡＰＣ）回路により劣化しても光出力が一定となるよう調整されている。

しかしながら、劣化が進行すると光半導体素子そのものから出射できる光出力値の最大値が下がってくるため、いつかは所望の光出力を得られない状態、すなわち寿命を迎えることになる。

そこで、光半導体素子の駆動中にその寿命を迎えるということを避けるために、光半導体素子の寿命を予測する技術が提案されている。例えば、光半導体素子の駆動電流値、スロープ効率、光出力値に基づいて寿命を予測する方法が挙げられる（特許文献１から３）。これらはいずれも、前述した光半導体素子の駆動電流値等により初期の状態からの劣化度合いを測定し、予め設定した駆動電流値等の判断値に達したか否かによって寿命の接近を予測している。
特開Ｈ０５−１９８８９７号公報特開Ｈ０８−２７９６４２号公報特開２０００−１６８１３１号公報

しかしながら、実際には駆動条件が光半導体素子の設置環境や使用方法等の外的要因によって大きく変動する場合があり、予め設定した判断値は必ずしも実際の利用状況に適合するものとは限らない。つまり、光半導体素子の寿命と、駆動電流値等との間に相関があることは確かであるが、予め設定した判断値では正確な寿命を予測することはできない。特にスーパールミネッセントダイオードは半導体レーザと異なり、駆動温度条件によって大きく特性が変化するため、更にこの問題を顕著化させている。

これにより、実際には駆動条件によって寿命がばらつくことを考慮して、予め設定する判断値をある程度余裕をもたせて設定した結果、寿命に達し故障判定された光半導体素子でも十分使用に耐えるものが存在するなどの無駄があった。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、駆動条件の変化や光半導体素子自体の個体差が生じた場合でも光半導体素子の寿命をほぼ正確に予測することができる光半導体素子の寿命予測方法の提供と共に、上記の方法を用いてほぼ正確な寿命または寿命の残存量を告知することができる光半導体素子の駆動装置の提供を目的とするものである。

本出願人は、光出力値の最大光出力値が熱飽和によって制限される光半導体素子の寿命が、劣化による最大光出力値の低下によって決まることに着目し、本発明に至った。

つまり、本発明による光半導体素子の寿命予測方法は、
光半導体素子の劣化の傾向に基づいて光半導体素子の寿命を予測する光半導体素子の寿命予測方法において、
光出力の最大光出力値が熱飽和によって制限される光半導体素子に対して、駆動電流に対する光出力の特性を計測することにより、最大光出力値を抽出し、
上記光半導体素子の最大光出力値の抽出を繰返し実施し、
光半導体素子の初期駆動からの駆動時間に対する最大光出力値の特性を近似する劣化曲線を算出し、
劣化曲線に基づいて、この劣化曲線上の最大光出力値と、光半導体素子の駆動装置において設定されている駆動光出力値とが一致する駆動時間を算出し、
算出された駆動時間を光半導体素子の寿命と予測することを特徴とするものである。

ここで、「光出力値の最大光出力値が熱飽和によって制限される」とは、駆動電流の増加により光半導体素子の温度が上昇して、熱的に光出力が緩和することで、駆動電流に対する光出力が、駆動電流の増加と共に頭打ちになることを意味するものとする。

「光半導体素子の寿命」とは、光半導体素子が駆動可能である時間の総和、すなわち光半導体素子の総駆動可能時間を意味するものとする。なお、「駆動可能」である状態とは、抽出された最大光出力値が、その光半導体素子の駆動装置において設定されている駆動出力値以上である状態を意味するものとする。つまり、上記の「光半導体素子の寿命」はその駆動装置の設定にも依存する。

「最大光出力値」とは、駆動電流のある範囲における光出力値の最大値を意味するものとする。つまり、必ずしも駆動電流に対する光出力値の特性における絶対的な最大値を意味するものではない。

最大光出力値の抽出を「繰返し実施」するとは、ある時間的間隔を置いて最大光出力値の抽出を複数回実施することを意味するものとする。なお、「ある時間的間隔」とは、現実的かつ経済的観点から光半導体素子の劣化を解析する上で充分な程度の長さの時間的な間隔を意味するものとする。

「駆動時間」とは、光半導体素子の基準となる駆動（初期駆動）から積算された光半導体素子への通電時間を意味するものとする。

「劣化曲線」とは、駆動時間に対する最大光出力値の分布の傾向を近似的に表す近似曲線を意味するものとする。

「駆動光出力値」とは、光半導体素子の駆動装置を用いて計測を行う際に、その駆動装置が必要とする光出力値を意味するものとする。

そして、本発明による光半導体素子の寿命予測方法において、劣化曲線は２次関数曲線であることが好ましく、劣化曲線の算出は抽出された複数の最大光出力値のうち直近の３の抽出点に基づいて行うことが好ましい。

また、光半導体素子はスーパールミネッセントダイオードであることが好ましい。

さらに、本発明による光半導体素子の駆動装置は、光半導体素子から光を出力させる光半導体素子の駆動装置において、
上記の光半導体素子の寿命予測方法を用いて、光半導体素子の寿命を予測する寿命予測手段と、
上記寿命と、光半導体素子を現に駆動させた駆動時間とに基づいて、寿命の残存量を算出する残存量算出手段と、
寿命の残存量を告知する残存量告知手段と、
光半導体素子の初期駆動からの駆動時間を計るタイマと、
光半導体素子より発せられる光を検出する光検出手段と、
光の光出力値と、この光出力値のときの駆動電流と、光の検出を行ったときの駆動時間とを記憶する記憶手段とを有することを特徴とするものである。

本発明による光半導体素子の寿命予測方法は、光出力の最大光出力値が熱飽和によって制限される光半導体素子の最大光出力値の経時変化から寿命を予測している。つまり、予め設定した駆動電流値等の判断値に接近したか否かによって寿命を予測する方法に比して、直接的に寿命を予測することができる。これにより、劣化における光半導体素子の個体差や使用環境による影響があった場合でも、光半導体素子の寿命をほぼ正確に予測することが可能となる。

さらに、本発明による光半導体素子の駆動装置は、上記光半導体素子の寿命予測方法を用いて、寿命を予測している。これにより、ほぼ正確な寿命の残存量をオペレータに知らせることができる。

以上により、駆動装置の使用中に光半導体素子が寿命を迎えるという事態を回避することができると共に、上記のような事態を回避することに重点を置きすぎるあまり、寿命よりもはるか前で使用を取りやめるという無駄も回避することができる。したがって、経済的に光半導体素子を使用することが可能となる。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。

「光半導体素子の寿命予測方法」
本発明による光半導体素子の寿命予測方法は、光出力値の最大光出力値が熱飽和によって制限される光半導体素子の寿命が、劣化による最大光出力値の減少によって決まること利用している。

この寿命予測方法の原理について図面を参照して詳細に説明する。

光半導体素子では図１に示すように、光半導体素子の駆動装置において設定されている駆動光出力値（ここでは３０ｍＷ）を出力するための駆動電流値が、使用時間の経過とともに上昇する現象、所謂「劣化」が生じる。光半導体素子では、規定の駆動光出力値を得るために初期駆動電流値に対して１．２〜１．３倍の駆動電流が流れると、それ以降は急激に低下してしまう現象が知られている。そのため駆動電流値を計測することで予測寿命を求めているのが従来の方式である。しかし、予測寿命を求める際の根拠となる１．２〜１．３倍の電流値というのは経験値であって、すべての光半導体素子に当てはまるものではない。

図２は、図１にて劣化を示した光半導体素子の駆動電流−光出力特性の経時にともなう変化をプロットしたものである。経時にともない最大光出力値が下がっていく様子が見て取れる。そして、最大光出力値が駆動光出力値Ｉ_０と一致し、それを過ぎたときに光半導体素子が故障していることが図１および図２から分かる。すなわち、光出力として取りうる最大値が駆動光出力値Ｉ_０を下回ることにより、どんなに駆動電流値を上げたとしても所望の光出力が得られなくなるということである。

そこで、本発明による光半導体素子の寿命予測方法は、駆動時間に対する最大光出力値の減少傾向を予測して、寿命を予測し、経時変化と共にその予測寿命を更新している。図３は、本実施形態による光半導体素子の寿命予測方法を実施するための制御プログラムを示すフローチャートである。

図示のように、本実施形態による光半導体素子の寿命予測方法は、以下のステップにより実施される。まず、光出力の最大光出力値が熱飽和によって制限される光半導体素子に対して、駆動電流に対する光出力の特性を計測することにより（ＳＴＥＰ１）、最大光出力値を抽出する（ＳＴＥＰ２）。そして、この最大光出力値の抽出点数が、一定数に達していなければこの回の寿命予測は終了し、一方一定数に達していれば次のステップに進む（ＳＴＥＰ３）。その後、光半導体素子の初期駆動からの駆動時間に対する最大光出力値の特性を近似する劣化曲線を算出し（ＳＴＥＰ４）、劣化曲線に基づいて、この劣化曲線上の最大光出力値と、光半導体素子の駆動装置において設定されている駆動光出力値Ｉ_０とが一致する駆動時間Ｔ_０を算出し（ＳＴＥＰ５）、算出された駆動時間Ｔ_０を光半導体素子の寿命と予測する（ＳＴＥＰ６）。

なお、光半導体素子は、光出力値の最大光出力値が熱飽和によって制限されるものであれば特に制限されるものではなく、半導体レーザやスーパールミネッセントダイオード等が上げられる。

ＳＴＥＰ１では、光半導体素子に駆動電流を流しながら徐々に変化させ、ある範囲の駆動電流に対する光出力の特性を計測している。駆動電流を変化させる範囲は、特に制限されるものではなく、光半導体素子の出力能力、種類および現在までの駆動時間等により適宜設定できる。例えば、光出力の最大光出力値が熱飽和によって制限される光半導体素子の場合には、一度熱飽和によって極大値を過ぎた後はそれ以上駆動電流を上げる必要はない。また、残存寿命がまだ多く残っており、寿命予測にそれほどの精度が要求されない場合には、必ずしも光出力が極大値になるまで駆動電流を上げる必要はない。これは、寿命予測に精度が要求されるようになってから、正確な（極大値である）最大光出力値を計測すれば充分な場合があるためである。

また、ＳＴＥＰ１を繰返し実施するタイミングも特に制限されるものではない。例えば、初期駆動から一定間隔を置いて実施してもよく、残存寿命が多い場合には間隔を広くし残存寿命が少ない場合には間隔を狭くして実施してもよい。なお、オペレータの邪魔にならないように、光半導体素子の駆動装置の立上げ時または立下げ時に実施してもよい。

ＳＴＥＰ２では、ＳＴＥＰ１で得られた特性から光出力値の最大値を抽出している。この最大光出力値を決定する方法は、前述した事項に関連し２つある。一方は、走査した駆動電流の範囲内に極大値がある場合で、その極大値を最大光出力値とする方法である。そして他方は、走査した駆動電流の範囲内に極大値がない場合で、最大の駆動電流値に対する光出力値を最大光出力値とする方法である。なお、図２では、駆動時間が初期駆動から１０００時間程度までは後者の方法により、それ以降は前者の方法により最大光出力値を決定している。これは前述したように、残存寿命がまだ多く残っており、寿命予測にそれほどの精度が要求されない場合には、本発明の課題の解決に影響を与えない。むしろ光半導体素子を必要以上に駆動させることなく、効率よく光半導体素子を使用することができる。

ＳＴＥＰ３では、駆動時間に対する最大光出力値の特性を近似する近似曲線を算出する前に、充分な最大光出力値の抽出点が得られたか否かを判定している。例えば本実施形態では、その充分な抽出点の数を３点として設定している。これは、最大光出力値の減少傾向が１次関数的ではないことに基づき、最も低次の近似曲線である２次関数曲線を用いて近似することを考慮している。なお、本発明は、特に３点に限られるものではない。

ＳＴＥＰ４では、駆動時間に対する最大光出力値の特性を近似する近似曲線（劣化曲線）を算出している。例えば本実施形態では、２次関数曲線を用いて近似している（図４）。しかしながら、近似曲線は特に２次関数曲線に限定されるものではなく、さらに高次の関数や対数関数等の他の曲線を用いてもよい。また近似曲線の算出には全ての抽出点を用いてもよいが、一部の値のみを用いても構わない。実際に、劣化が推移してくると近似曲線からのずれが大きくなることから、直近の抽出点付近の最大光出力値のみを用いた方がより正確な寿命を求めることができる。例えば、直近の３点を用いて寿命を算出した場合が図５である。詳細は後述するが、この様にすることによってより現状の光半導体素子の状態を寿命予測に反映させることができ、実際に寿命予測の精度を向上させることができる。

ＳＴＥＰ５およびＳＴＥＰ６では、劣化曲線を用いて、この劣化曲線上の最大光出力値と駆動光出力値Ｉ_０とが一致する駆動時間Ｔ_０（つまり、図４中の点Ｐ）を算出し、この駆動時間Ｔ_０を光半導体素子の寿命と推定している。つまり、劣化曲線は最大光出力値の減少傾向を示しており、劣化曲線上の最大光出力値が駆動光出力値Ｉ_０と一致し、さらにそれを超えて最大光出力値が減少すると、光半導体素子の駆動装置における所望の駆動光出力値Ｉ_０が得られなくなるため、この駆動時間Ｔ_０が光半導体素子の寿命と予測される。

以下図面を用いて、本実施形態による光半導体素子の寿命予測方法の作用を説明する。

図４は駆動時間と最大光出力値の関係を示したものである。図中の曲線は最大光出力値に対する近似曲線を算出したものであるが、ほぼ２次関数曲線にて近似できていることが分かる。この近似曲線を延長することで、この光半導体素子の寿命を予測することができる。図５は図４における最大光出力値の抽出点の一部のみ（直近の３点）を用いて２次関数曲線による近似を行った図である。

以下、光半導体素子の駆動条件を３０ｍＷとして、実際の光半導体素子の寿命が５８５０時間であった（図１）光半導体素子に対して、本発明を適用した場合について説明する。

全ての最大光出力値の抽出点を用いた場合（図４）では、予測寿命は６１７０時間（実際の寿命に対する誤差：５．４％）と算出されるが、直近の抽出点付近の最大光出力値のみを用いた場合（図５）では、５９１０時間（実際の寿命に対する誤差：１．０％）と算出される。このことから、直近の抽出点付近の最大光出力値のみを用いた方が、より正確な寿命が得られることがわかる。なお、従来技術である、駆動電流値が初期駆動電流値の１．３倍に上昇したときを寿命と換算すると４８５０時間（実際の寿命に対する誤差：−１７．１％）と算出される（図１）。以上により、本発明による光半導体素子の寿命予測方法が、従来法に比べて非常に精度の高い方法であることがわかる。

この精度の高さは以下に示す理由によるものである。本発明による光半導体素子の寿命予測方法は、光出力の最大光出力値が熱飽和によって制限される光半導体素子の最大光出力値の経時変化から寿命を予測している。つまり、予め設定した駆動電流値等の判断値に接近したか否かによって寿命を予測する方法に比して、直接的に寿命を予測することができる。これにより、劣化における素子の個体差や使用環境による影響があった場合でも、光半導体素子の寿命をほぼ正確に予測することが可能となる。

「光半導体素子の駆動装置」
図６は、本実施形態による光半導体素子の駆動装置を示す系統図である。

本実施形態による光半導体素子の駆動装置は、光出力のための光半導体素子１と、光出力値を計測するための光検出器２と、光半導体素子１の制御回路（出力検出器３およびレーザ駆動回路４）と、寿命予測手段、残存量算出手段および残存量告知手段を有するコンピュータ５と、寿命予測に必要なデータを保存するメモリ６と、光半導体素子１の駆動時間を計るタイマ７とを有するものである。

光半導体素子１は、寿命予測方法と同様に、光出力値の最大光出力値が熱飽和によって制限されるものであれば特に制限されるものではなく、半導体レーザやスーパールミネッセントダイオード等が上げられる。

以下、ＡＰＣ回路系に適用した例を説明する。ＡＰＣ回路は先に述べたように、自動光出力調整回路のことであり、劣化や駆動条件の変化が生じた場合においても光半導体素子１からの光出力を一定に保つための調整を行うものである。

ＡＰＣ回路の動作は次のようになる。図６において光半導体素子１からの光出力は光検出素子２により検出され、その信号が出力検出器３に入力される。出力検出器３により本来あるべき出力との差分が求まり、そのデータがレーザ駆動回路４に送られる。レーザ駆動回路４は、光半導体素子１からの光出力が最適となるように駆動電流値を制御する。

本実施形態では、光半導体素子１およびＡＰＣ回路系の光検出素子２を利用して最大光出力値を抽出するため、駆動電流−光出力特性の計測は光半導体素子１を駆動させる必要がない状態、すなわちシステム立ち上げ時のウォームアップ中などに実施する。レーザ駆動回路４により、光半導体素子1が熱飽和により光出力が飽和する状態まで光半導体素子1が駆動する。光検出素子２により検出された光出力は出力検出器３を経由して制御回路５に送られ、最大光出力値が求められる。タイマ７により計測されている光半導体素子１の駆動時間と最大光出力値はメモリ６に格納され、これらのデータを元にコンピュータ５によって、上記記載の光半導体素子の寿命予測方法を用いて、予測寿命が算出される。さらに、コンピュータ５によって、算出された予測寿命から現在までの駆動時間を引いて、ほぼ正確な寿命の残存量を算出する。そしてコンピュータによって、この寿命の残存量をオペレータに知らせ、寿命の残存量が設定値以下である場合には、その旨をオペレータに警告する。

残存量告知手段は、ディスプレイやランプの点滅等によって実施することができる。

これらにより本実施形態では、上記記載の光半導体素子の寿命予測方法を用いて、光半導体素子の寿命を予測する寿命予測手段と、寿命と、記光半導体素子を現に駆動させた駆動時間とに基づいて、寿命の残存量を算出する残存量算出手段と、寿命の残存量を告知する残存量告知手段とを有することにより、ほぼ正確な寿命の残存量をオペレータに知らせることができる。

光半導体素子の劣化特性の１例を示す図光半導体素子の駆動電流−光出力特性の経時変化を示す図光半導体素子の寿命予測方法の制御プログラムの１例を示すフローチャート駆動時間と最大光出力値の関係を示す図（すべての点で近似した場合）駆動時間と最大光出力値の関係を示す図（直近の３点で近似した場合）光半導体素子の駆動装置の１例を示す系統図

符号の説明

１光半導体素子
２光検出器
３出力検出器
４レーザ駆動回路
５コンピュータ
６メモリ
７タイマ
Ｉ_０駆動光出力値
Ｔ_０光半導体素子の寿命
Ｐ劣化曲線が駆動光出力値と一致する点

Claims

光半導体素子の劣化の傾向に基づいて前記光半導体素子の寿命を予測する光半導体素子の寿命予測方法において、
光出力の最大光出力値が熱飽和によって制限される前記光半導体素子に対して、駆動電流に対する前記光出力の特性を計測することにより、前記最大光出力値を抽出し、
前記光半導体素子の前記最大光出力値の抽出を繰返し実施し、
前記光半導体素子の初期駆動からの駆動時間に対する前記最大光出力値の特性を近似する劣化曲線を算出し、
該劣化曲線に基づいて、該劣化曲線上の最大光出力値と、前記光半導体素子の駆動装置において設定されている駆動光出力値とが一致する駆動時間を算出し、
該算出された駆動時間を前記光半導体素子の寿命と予測することを特徴とする光半導体素子の寿命予測方法。
前記劣化曲線が２次関数曲線であることを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子の寿命予測方法。
前記劣化曲線の算出を、抽出された複数の前記最大光出力値のうち直近の３の抽出点に基づいて行うことを特徴とする請求項１または２に記載の光半導体素子の寿命予測方法。
前記光半導体素子がスーパールミネッセントダイオードであることを特徴とする請求項１から３いずれかに記載の光半導体素子の寿命予測方法。
光半導体素子から光を出力させる光半導体素子の駆動装置において、
請求項１から４いずれかに記載の光半導体素子の寿命予測方法を用いて、前記光半導体素子の寿命を予測する寿命予測手段と、
該寿命と、前記光半導体素子を現に駆動させた前記駆動時間とに基づいて、前記寿命の残存量を算出する残存量算出手段と、
該寿命の残存量を告知する残存量告知手段と、
前記光半導体素子の初期駆動からの駆動時間を計るタイマと、
前記光半導体素子より発せられる光を検出する光検出手段と、
該光の光出力値と、該光出力値のときの駆動電流と、前記光の検出を行ったときの前記駆動時間とを記憶する記憶手段とを有することを特徴とする光半導体素子の駆動装置。
前記残存量が予め設定された値以下になったときに警告する警告手段を有することを特徴とする請求項５に記載の光半導体素子の駆動装置。