用于关键任务应用的空间认证™ 激光二极管、探测器和光电元件

激光二极管在太空应用中已使用多年。 它们的主要用途是作为固态激光器的泵浦，并为这些应用开发了鉴定方法。 但近年来，日益复杂的科学有效载荷需要精密激光器来进行计量、校准和环境传感。 因此，有效载荷工程师制定了越来越严格的空间鉴定筛选标准，以确保空间应用中精密激光二极管的可靠性和性能。 由于哪怕是一个元件的故障都可能危及有效载荷的成功，因此必须根据任务要求确定的协议对器件进行指定、筛选、鉴定和选择。

通过与现有太空客户的合作，Photodigm 已制定了详细的认证程序，可对其精密 DBR 激光器、第三方商用现货 (COTS) 激光器或其他组件进行批次认证，以便在太空任务中使用。

导言

从发射时的高重力到极端的温度梯度和高辐射场，太空飞行使任务元件处于非同寻常的环境条件下。 此外，组件故障的影响要求在制造质量和产品性能方面遵守最高标准。 必须进行筛选，以确保在整个设计寿命（可能长达数年）内的任务运行条件下符合规格要求。

空间鉴定从制定组件验收测试计划（ATP）开始。 制定有效的 ATP 需要设备工程师和空间系统工程师密切合作，以了解组件的性能限制和任务的运行环境。 通过根据 ATP 进行仔细采购和筛选，可以探索组件的运行极限，了解故障机制的物理原理，并采用适当的降级措施。 ATP 的目标是将组件失效的可能性降至极低水平。 只有按照 ATP 成功完成所有测试后，大量设备才能获得任务应用认证。

验收测试计划

空间级鉴定流程首先要确定和选择符合任务光学和电气要求的激光二极管。 首先要从可追溯的单一制造批次中获得足够数量的器件，以便进行破坏性测试、预留控制和严格的质量筛选，从而产生适当数量的飞行单元，以此推定其适用性。

将根据适当的军方、美国航天局、欧空局或其他航天机构的性能规格，选择一批装置进行筛选。 然后将根据 ATP 对这一群体进行筛选和鉴定。 根据 ATP 规定的要求，原始群体的一个子集将被认证为飞行装置。

ATP 的一般流程如图 1 所示。每项测试的细节由客户自行决定。不过，一般来说，它们都遵循军用标准规范。

图 1. Photodigm 在开发 ATP 时使用的典型流程图。

筛选测试

根据 ATP 文件对制造或采购的部件进行 100% 筛选。 这通常包括部件序列化和预烧，但也可能包括其他测试，如破坏性物理分析 (DPA)、振动、粒子撞击噪声检测测试 (PIND) 和机械测试。 

鉴定测试

合格测试将在筛选测试 100% 完成后开始。 在开始资格测试之前，将随机抽取一个子集作为潜在飞行单元库。 ATP 要求进行的任何测试，如采购规格（如军用标准）已要求进行，则无需重复。 所有在鉴定测试中使用的设备都被视为不适合用作飞行装置。

典型的鉴定测试包括物理分析和应力测试、寿命测试和辐射测试。

物理分析和应力测试

为确保设备在真空环境中的合规性，许多太空计划都指定了 ASTM-E595 材料热真空暴露和分析程序。 在进行破坏性物理分析 (DPA) 时，可以确定所有材料以及材料在封装中的位置。对于机械应力鉴定，温度循环、振动和 PIND 试验是常见的要求。

寿命测试

许多航天项目都规定了稳态运行寿命和间歇运行寿命测试。 典型的测试计划包括至少 1,000 小时的长期稳态运行和至少 6,000 次的高次数开关运行，对候选批次的指示性数量样品进行测试。

辐射测试

太空任务会使有效载荷受到大量辐射，因此太空鉴定要求对激光二极管进行测试，以评估其在飞行持续时间和特定轨道退化情况下的性能。总电离剂量（TID）和位移损伤（DD）都是众所周知的有害辐照效应，可能导致激光二极管性能下降[1]。 TID 通常通过伽马射线辐射测试来模拟，DD 通常通过中子或质子辐射测试来模拟。

实际遇到的辐射通量因任务轨道、太阳周期和航天器屏蔽的不同而有很大差异。地球轨道被描述为低地球轨道（LEO，高度 100 至 1200 英里）、地球同步轨道（GSO，高度 22000 英里）和中地球轨道（MEO，介于低地球轨道和地球同步轨道之间）。如图 2 所示。 每个轨道都有其典型的本底辐射环境。低地轨道任务的本底辐射通常在 5 到 10 krads 之间。 大部分辐射剂量是在经过南大西洋异常点（SAA）时积累的，这是地球磁场的一个薄弱点，会导致辐射水平升高。近地天体经过范艾伦带时，受到的总剂量通常在 10 到 100 krads 之间。地球同步轨道的大部分辐射量来自宇宙射线，通常在 50 krads 左右[2]。 由于这些环境差异很大，ATP 辐射测试协议将取决于飞行任务。表 1 介绍了每种地球轨道。

图 2. 卫星遇到的辐射环境是由带电粒子与地球磁场的相互作用决定的。 (图片来源：NASA）。

表 1.  每条地球轨道的说明

许多详细研究都探讨了激光二极管的辐射退化机制。 辐射损伤通常会增加激光二极管的光损耗并降低其电气效率[3]。 ATP 通常要求这些参数在测试中的变化小于 10% 才能通过测试。  

飞行装置的选择

如果设备通过了所有筛选和鉴定测试，则所有潜在的飞行装置都符合飞行条件。 客户在审查所有数据后，将从设备库中选择飞行设备。  

Photodigm DBR 激光器的空间鉴定

Photodigm DBR 激光器由砷化镓材料系统制造而成，根据设计波长的不同，可加入铝或铟。 虽然这种材料系统在加工过程中面临诸多挑战，但 Photodigm 专有的低损耗外延设计和精心的制造工艺，使其在 740-1100 nm 波长范围内成为世界上性能最高的单频激光二极管。 图 3 显示了 Photodigm DBR 激光器的结构。

图 3.  Photodigm DBR 激光器的关键元件示意图。

Photodigm 的最终制造工艺和包装均符合高标准的制造质量，这对于移动应用中的高性能和高可靠性至关重要。地面设备的坚固性使其适用于太空鉴定。 Photodigm 的多款高功率、单频 DBR 激光二极管产品已通过低地轨道和中地轨道特定航天项目的认证，采用的 ATP 方法如图 1 所示。 如图 4 所示，这些产品有各种封装，从单模光纤输出的蝶形封装到自由空间输出。

图 4.  Photodigm DBR 激光器的可用封装选项，从单模光纤输出到自由空间设计。

Photodigm 的产品经过严格筛选和测试，以确保性能可靠。 在严格的预烧过程中，可以消除婴儿死亡故障。器件失效是由于外延片中的块状缺陷通过有源区传播而导致的随机失效。  预烧后的长期测试表明，在规定的工作条件下，器件的衰减与大于 50,000 小时的使用寿命一致。如图 4 所示，Photodigm 对 765 纳米器件进行了加速老化测试，对标准产品批次的性能进行例行调查。图 4 中的数据显示了在温度不断升高的情况下进行的多步寿命老化，以确定用于估计寿命的温度加速系数。 驱动电流加速寿命系数将根据特定材料和激光二极管结构在单独的研究中进行计算。所显示的数据表明，这种基于砷化镓的 DBR 激光二极管具有强大的可靠性，估计寿命超过 50,000 小时。

图 4. Photodigm 765 nm 激光二极管的多步骤寿命老化测试。

如表 2 所示，砷化镓材料系统已被证明在典型地球轨道的辐射照射中具有很强的稳定性。

表 2. Photodigm 768 nm DBR 激光器在模拟 MEO 环境中的典型自由空间封装测试结果。

 结论

随着太空任务对合格的商用光电元件和技术的需求不断增长，Photodigm 已通过制造一系列符合太空标准的 DBR 激光产品做出了回应，这些产品已实现了各种太空飞行激光应用。 为了使飞行装置具有高可靠性和低成本，我们在制造材料、程序和设备故障模式方面的知识和经验已被证明对于设计全面的 ATP 以做出可行性决策和早期风险缓解至关重要。 基于这些专业知识，Photodigm 还开发了 ATP，将其他商用激光二极管和传感器供应商及制造商的组件纳入其中，从而充分利用了其空间鉴定能力。

参考资料

[1]. Effects of Radiation on Laser Diodes - Sandia National Laboratories Report, online at  prod.sandia.gov/techlib/access-control.cgi/2004/044725.pdf

 [2] .M Ott et al, Space flight requirements for fiber optic components; Qualification testing and lessons learned, Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering 6193:7 May 2006

 [3]. Reliability and Radiation Effects in Compound Semiconductors, Allan H. Johnston, World Scientific Publishing Company, 2010