1、1光电子技术实验指导书编者：洪建勋 葛华 李成军 吴友宇武汉理工大学信息工程学院2007 年 7 月I目录实验一 光源特性测试 .1实验二 光电探测 原理实验 7实验（一） 光照度测试 8实验（二） 光电二极管光电特性测试 10实验（三） 光电二极管伏安特性测试 14实验（四） 光电池光电特性测试 16实验（五） 光电池伏安特性测试 19实验三 光电探测器 直流特性测试 .22实验四 光电倍增 管特 性参数测试 .25实验五 电光 调制实验 .29实验六 光电报警 系统设计实验 .34实验七 位移的 激光干涉测量 38实验八 光 学系统的 PSF 及 MTF 评价 .42实验九 缝 宽或间隙的
2、衍射测量 .45实验十 光纤传感 实验 .48第一部分：反射式光纤位移传感实验 48第二部分：光纤微弯传感实验 50第三部分 透射式光强无极衰减实验 52实验十一 学系统设计软件 Zemax 应用 单透镜设计 .56实验十二 巴俾特 原理及细丝直径测量 58实验十三 变形的 全场衍射测量 .60实验十四 散斑测试技 术的综合应用 62实验十五 三维形 貌的共焦测量 .65实验十六 纳米测 量新 技术 68实验十七 光发射机与光 接收机实验 71实验十八 光纤传输 综合实验 79实验十九 光 纤通信 系统二次开发实验 88实验二十 导波光 学系统设计运 用 Beamprop 软件设计光纤 90实
3、验二十一 导波 光学系统 设计运用 Beamprop 软件设计光栅 .951实验一 光源特性测试一、实验目的1、测试 LD/LED 的功率电流（P-I ）特性曲线和电压电流（ V-I）特性曲线，计算阈值电流（I th）和外微分量子效率。2、了解温度（T）对阈值电流（I th）和光功率（P）的影响。二、实验内容1、测试在 LD/LED 的功率电流（P-I ）特性曲线和电压电流（ V-I）特性曲线。2、测试 LD 温度特性。三、实验仪器1、LD 激光二极管（带尾纤输出， FC 型接口） 1 只2、LED 发光二极管 1 只3、LD/ LED 电流源 1 台4、温控器（可选） 1 台5、光功率计 1
4、 台6、积分球（可选） 1 个7、万用表 1 台四、实验原理激光二极管 LD 和发光二极管 LED 是光通讯系统中使用的主要光源。 LD 和 LED 都是半导体光电子器件，其核心部分都是 P-N 结。因此其具有与普通二极管相类似的 V-I 特性曲线，如图所示：由 V-I 曲线我们可以计算出 LD/LED 总的串联电阻 R 和开门电压 VT。在结构上，由于 LED 与 LD 相比没有光学谐振腔。因此， LD 和 LED 的功率与电流的 P-I关系特性曲线则有很大的差别。LED 的 P-I 曲线基本上是一条近似的线性直线。 图 1 LD/LED 的 V-I 特性曲线VTVI2从图中可以看出 LD
5、的 P-I 曲线有一阈值电流 Ith，只有在工作电流 IfIth 部分，P-I 曲线才近似一根直线。而在 IfT1)3Control)电路，可以实现以下三种功能：1） LD 电流源2） Iop 及 Im 电流测试3） LD 恒功老化及恒流老化本产品的一大特色是设备内部带 APC（Automatic Power Control）电路，这种电路是 LD 在实际应用时通常采用的一种恒功控制电路，可以控制 LD 输出恒定的光功率。因此，一只LD 在本机上所表现的直流特性，将与它在实际应用时的直流特性完全一致。有了这种恒功控制电路，就可以长期通电对 LD 进行寿命及稳定性考核。比如，可将被测 LD 调到
6、5mW 输出，记录该 LD 在通电 1 小时后、1 天后、1 月后、3 月后工作电流（Iop ）的变化量，从而反映出 LD 在应用产品（如光通信模块、 DVD 激光头等）中工作时的稳定性。2、其主要性能指标为： 供给电流（Iop）max：150mA反馈电流(Im)max：2000uAIop 的测量准确度： 0.5mAIm 测量准确度：5uA电源规格：输入：190V-250V ，50/60Hz输出：直流+5V ，500mA3、仪器面板结构图如图 4：图 4 LD/LED 电流显示 激光器背向探测电流显示 电源开关 LD/LED 电流输出 DVD 管、POINTER 管切换开关（DVD 管则按下开
7、关，POINTER 管则弹起） 恒功、恒流切换开关 输出电流粗调旋钮Z Y 6 0 6 L D / L E D 电 流 源（ ）I o p m A （ ）I m u A P O W E RL D 负P D 正P D 负L D 正恒功 恒流D V DP O I N T E R粗调 细调输出功率调节134 5 6 7284 输出电流细调旋钮4、操作步骤1）将配套直流电源接入电流源后面电源输入接口处。通电之前，确保“粗调” “细调”旋钮在最小值位置。这样可防止冲击电流损坏 LD。2）确认 LD 或 LED 已经插接良好后，打开电源开关。此时电源输出为零， LD 或LED 尚未发光。3）恒功测量：将切
8、换开关拨到恒功档，顺时针缓慢调节输出功率“粗调”旋钮，观察电流变化，改调“细调”旋钮，可将 LD 工作电流调至要求的数值（可用一台光功率计同时来测量 LD 的输出功率） 。通过 Iop 显示窗口可以读出输出电流值，通过 Im 显示窗口可以读出背向探测电流值。注意：LED 内部没有探测器，故不能用恒功档测试，只能用恒流档进行测试。4）恒流测量：将切换开关拨到恒流档，该方式下“细调”旋钮无效，Im 窗口显示读数也无效。只需要调节输出功率“粗调”旋钮即可，通过 Iop 显示窗口可以读出输出电流值。5）恒功老化：将切换开关拨到恒功档，将被测 LD 调到固定的功率输出（这个值由用户根据需要确定） ，并保
9、持不断电，记录该 LD 在通电一定时间后工作电流的变化量，从而反映出 LD 产品在实际应用中的稳定性。6）恒流老化：将切换开关拨到恒流档，将被测 LD 调到固定的电流输出（这个值由用户根据需要确定） ，并保持不断电，记录该 LD 在通电一定时间后输出功率的变化量，从而反映出 LD 产品在实际应用中的稳定性。五、实验步骤1、按图示线路连接 LD 或 LED，其引脚说明见图 6 和图 7。若没有配积分球，可直接将LD 或 LED 与光功率计连接，将 LD 或 LED 在暗室内放入光功率计的接口处。实验时，若不使用积分球，将只会影响到 LED 各参数的测量精度，对 LD 各参数的测量不会影响。图 5
10、 没有使用积分球和温控器的连接框图LD/E电 流 源 光 功 率 计图 6 使用积分器和温控器的连接框图LD/E电 流 源 光 功 率 计温 控 器5图 8 LED 引脚说明：3.LED 正； 4.LED 正2、若实验中用到温控器，启动温控器电源，并将温度调到 20。3、通电之前，确保“粗调” 、 “细调”旋钮在最小值位置。这样可防止冲击电流损坏 LD。实验中用到的 LD 是 POINTER 管，电流源要选择使用 POINTER 档位。开启 LD 的驱动电源，缓慢调节电流旋纽逐渐增加工作电流，并用万用表测试 LD 两端的电压值。每隔一定电流间隔，记录 LD 的电压值和光功率值。绘制 LD 的
11、P-I 曲线和 V-I 曲线。注意：LD 为静电敏感元件，因此操作者必要用手直接接触激光器引脚以及与引脚连接的任何测试点和线路，以免损坏激光器。表 1 LD 的 P-I-V 实验测试数据I(mA) 0 3 6 9 12 15 18U(V)P(uW)4、开启 LED 的驱动电源（恒流档测量） ，缓慢调节“粗调”旋纽逐渐增加工作电流，并用万用表测试 LED 两端的电压值。每隔一定电流间隔，记录 LED 的电压值和光功率值。绘制 LED 的 P-I 曲线和 V-I 曲线。表 2 LED 的 P-I-V 实验测试数据I(mA) 0 10 20 30 40 50 60U(V)P(uW)5、调节温控器，升
12、高 LD 的工作温度，重复实验步骤 3，记录 LD 的 P-I 曲线和 V-I 曲线。比较在不同温度下，LD 的特性曲线变化。41234图 7 LD 引脚说明：1.激光器正(4)入射电子经N 级倍增极倍增后，光电子就放大 N 次；(5)经过倍增后的二次电子由阳极收集起来，形成阳极光电流，在负载上产生信号电压。2、供电分压器和输出电路从光电阴极到阳极的所有电极用串联的电阻分压供电，使管内各极间能形成所需的电场。光电倍增管的极间电压的分配一般由图二所示的串联电阻分压器执行的，最佳的极间电压分配取决于三个因素：阳极峰值电流，允许的电压波动以及允许的非线性偏离。光电倍增管的极间电压可按前极区，中间区和
13、末极区加以考虑。前极区的收集电压必须足够高，以使第一倍增极有高的收集率和大的次极发射系数，中间级区的各级间通常具有均匀分布的极间电压，以使管子给出最佳的增益。由于末极区各极，特别是末极区取较大的电流，所以末极区各极间电压不能过低，以免形成空间电荷效应而使管子失去应有的直线性。当阳极电流增大到能与分压器电流相比拟时，将会导致末极区间电压的大幅度下降，从而使光电倍增管出现严重的非线性。为防止极间电压的再分配以保证增益稳定，分压器电流至少为最大阳极电流的 10 倍。对于直线性要求很高的应用场合，分压器电流至少为最大阳极平均电流的 100 倍。确定了分压器的电流，就可以根据光电倍增管的最大阳极电压算出
14、分压器的总电阻。再按适当的极电压分配。由总电阻计算出分压电阻的阻值。26光电倍增管输出的是电荷，且其阳极可以看成是一个理想的电流发生器来考虑。因此，输出电流与负载阻抗无关。但实际上，对负载的输入阻抗却存在着一个上限。因为负载电阻上的电压降明显地降低了末极倍增管与阳极之间的电压。对于直流信号，光电倍增管的阳极能产生达数十伏的电压输出。因此可以使用大的负载电阻。电倍增管的特性和参数光电倍增管的特性参数包括灵敏度、电流增益、光电特性、阳极特性、暗电流等。下面介绍本实验涉及到的特性和参数。1）灵敏度灵敏度是衡量光电倍增管探测光信号能力的一个重要参数，一般是指积分灵敏度，其单位为 uA/Lm。光电倍增管
15、的灵敏度一般包括阴极灵敏度、阳极灵敏度。2）阴极光照灵敏度 SK阴极光照灵敏度 SK 是指光电阴极本身的积分灵敏度。定义为光电阴极的光电流 Ik 除以入射光通量 所得的商 )/(LmAISKk光电倍增管阴极灵敏度的测量原理如图所示。入射到阴极 K 的光照度为 E，光电阴极的面积为 A，则光电倍增管接受到的光通量为E由式可以计算出阴极灵敏度。入射到光电光电阴极的光通量不太大，否则由于光电阴极层的电阻损耗会引起测量误差。光通量也不能太小，否则由于欧姆漏电流影响光电流的测量精度，通常采用的光通量的范围为 10-510 -2Lm。3） 阳极光照灵敏度 Sp阳极光照灵敏度 Sp 定义是指光电倍增管在一定
16、工作电压下阳级输出电流与照射阴极上光通量的比值 )/(LmAISp4） 放大倍数(电流增益)G放大倍数 G(电流增益 )定义为在一定的入射光通量和阳极电压下，阳极电流 Ip 与阴极电流IK 间的比值。 pG光照度 E阴极 K 面积为 AG-VH27由于阳级灵敏度包含了放大倍数的贡献，于是放大倍数也可以由在一定工作电压下阳极灵敏度和阴极灵敏度的比值来确定，即 KpSG放大倍数 G 取决于系统的倍增能力，因此它是工作电压的函数。5） 暗电流 Id当光电倍增管在完全黑暗的情况下工作时，在阳极电路里仍然会出现输出电路，称为暗电流，暗电流与阳极电压有关，通常是在与指定阳极光照灵敏度相应的阳极电压下测定的
17、。引起暗电流的因素有：热电子发射，场致发射、放射性同位素的核辐射，光反馈、离子反馈、极间漏电等。 高压供电与信号输出为了使光电倍增管能正常工作，通常在阴极和阳级间加上近千伏的高压。同时，还需在阴极、倍增极和阳极间分配一定的电压，保证光电子能被有效地收集，光电流通过倍增系统得到增大。光电倍增管的供电方式有两种，即负高压接法(阴极接电源负高压，电源正端接地) 和正高压接法(阳极接电源正高压、而电源负端接地 )正高压接法的特点是可使屏蔽光、磁、电的屏蔽罩直接于管子外壳相连，甚至可以制成一体，因而屏蔽效果好，暗电流小，噪声水平低。但这时阳极处于正高压，会导致寄生电容增大。如果是直流输出，则不仅要求传输
18、电缆能耐高压，而且后级的直流放大器也处于高电压，会产生一系列的不便；如果是交流输出，则通过耐高压、噪声小的隔直电容。负高压的优点是便于与后面的放大器连接，且即可以直流输出，又可以交流输出，操作安全方便。缺点是玻壳的电位与阴极电位接近，屏蔽罩应至少离开玻壳 12cm。否则，由于静电屏蔽的寄生影响，暗电流与噪声都会增大。五、注意事项1、光电倍增管对光的响应极为灵敏。因此，在没有完全隔绝外界干扰光的情况下，切勿对管施加工作电压，否则会导致管内倍增极的损坏；2、即使管子处于非工作状态，也要尽可能减少光电阴极和倍增极的不必要爆光，以免对管子造成不良影响；3、测量阴极电流时，加在其间的电压不可超过 250
19、V，否则容易烧坏光电倍增管。六、实验步骤IpRf-VHVIp281、暗电流测量1）将电压调节逆时针调到最小，光源开关断开，阴极(阳极) 开关打到阳极位置，光源开关断开，然后打开实验箱电源开关。2）缓慢调节电压调节开关，当电压分别为 200V、400V 、 600V、800V、1000V 时记下电流表的电流值。倍增管电压 V 200V 400V 600V 800V 1000V阳极暗电流 Id3）画出 IdV 关系曲线。2、阳极灵敏度测量1)光源开关断开，调节面板上的调零旋钮，使照度表的值显示为零；2）将电压调节逆时针调到最小，阴极(阳极) 开关打到阳极位置，光源开关合，照度表打到20lx 档，调
20、节光照度至 E=0.01lx（光电阴极有效面积 A=8mm24mm） ；3）缓慢调节电压调节开关，当电压分别为100V、200V、300V、400V、500V 、600V 、700V、800V、900V、1000V 时记下电流表的电流值；4）继续调节光强至光照度 E=0.02lx，重复 2)的实验内容。5）分别画出两个光照下光电倍增管阳极电流 Ip 与光电倍增管电压关系曲线。6）分别计算 200V、400V、600V、800V、1000V 电压下阳极光照灵敏度。3、阴极灵敏度测量1）将电压调节逆时针调到最小，阴极(阳极) 开关打到阴极位置，光源开关合，照度表打到200lx 档，调节光照度至 E
21、=120lx。2）缓慢调节电压旋钮到 200V 左右，此时光电倍增管趋于饱和，记下该读数。3）计算阴极灵敏度 。)/(LmAISKk4、光电倍增管增益(放大倍数 )的计算1）计算光强 E=0.01lx 情况下，不同电压下的放大倍数；2）计算光强 E=0.02lx 情况下，不同电压下的放大倍数；3）画出不同光强的 GV 曲线，并对曲线进行分析。 .5 光电倍增管线性度测量1)将光照度表打到 20lx 档，阴极(阳极) 开关打到阳极位置，调节电压至 800V 左右；2)从零缓慢调节光照度，每隔 0.01lx 记录阳极输出的光电流值，光照度调节到 0.2lx 为止；3)画出在该电压下光电倍增管阳极输出电流和光照度之间的曲线关系。光照度（lx）0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07电流（A)光照度（lx）0.08 0.09 0.10 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15电流（A）
