1、常用光纤器件特性测试实验实验一 半导体激光器 P-I 特性测试实验一、实验目的1、学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理2、了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系3、掌握半导体激光器 P（平均发送光功率）-I（注入电流）曲线的测试方法二、实验内容1、测量半导体激光器输出功率和注入电流，并画出 P-I 关系曲线。2、根据 PI 特性曲线，找出半导体激光器阈值电流，计算半导体激光器斜率效率。三、预备知识1、光源的种类2、半导体激光器的特性、内部结构、发光原理四、实验仪器1、ZY12OFCom13BG3 型光纤通信原理实验箱 1 台2、FC 接口光功率计 1 台3、FC/P
2、C-FC/PC 单模光跳线 1 根4、万用表 1 台5、连接导线 20 根五、实验原理半导体激光二极管（LD）或简称半导体激光器，它通过受激辐射发光，是一种阈值器件。处于高能级 E2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子，而跃迁到低能级 E1，这个过程称为光的受激辐射，所谓一模一样，是指发射光子和感应光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，它和感应光子是相干的。由于受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率（10mW）辐射，而且输出光发散角窄（垂直发散角为 3050，水平发散角为 030） ，与单模光纤的耦合效率高（约 3050） ，辐射光谱线
3、窄（0.11.0nm） ，适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速信号（20GHz）直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。阈值电流是非常重要的特性参数。图 1-1 上 A 段与 B 段的交点表示开始发射激光，它对应的电流就是阈值电流 。半导体激光器可以看作为一种光学振荡器，要形成光的振荡，thI就必须要有光放大机制，也即激活介质处于粒子数反转分布，而且产生的增益足以抵消所有的损耗。将开始出现净增益的条件称为阈值条件。一般用注入电流值来标定阈值条件，也即阈值电流 。thIP-I 特性是半导体激光器的最重要的特性。当注入电流增加时，输出光功率也随之增加，在达到 之前半导体激光器
4、输出荧光，到达 之后输出激光，输出光子数的增量与thI thI注入电子数的增量之比见式 1-1。（1-()dPIePhvhvI1）就是图 1-1 激射时的斜率， 是普朗克常数（6.625*10 -34 焦耳 秒） ， 为辐PI A射跃迁情况下，释放出的光子的频率。P-I 特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流 尽thI可能小， 对应 P 值小，而且没有扭折thI点的半导体激光器。这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比（测试方法见实验四）大，而且不易产生光信号失真。并且要求 P-I 曲线的斜率适当。斜率太小，则要求驱动信号太大，给驱动电路带来麻烦；斜率太大，则会出现光反射
5、噪声及使自动光功率控制环路调整困难。在实验中所用到半导体激光器输出波长为 1310nm，带尾纤及 FC 型接口。其典型参数如下表 1-1：表 1-1 本实验半导体激光器的部分参数参考表Parameter参数Symbol符号Min最小值Typ典型值Max.最大值Unit单位Central Wavelength中心波长 1280 1310 1340 nmSpectral Width RMS谱线宽度 2 5 nmThreshold Current阈值电流 thI8 15 mAOptical output power输出功率 0P0.2 0.6 1.2 mWForward Voltage正向电压 Vf
6、 1.2 1.6 VRise Time/Fall Time上升/下降时间 tr/tf 0.3 0.5 ns 六、实验注意事项1、半导体激光器驱动电流不可超过 40mA，否则有烧毁激光器的危险。2、由于光功率计，光跳线等光学器件的插头属易损件，使用时应轻拿轻放，切忌用力过大。图 1-1 LD 半导体激光器 P-I 曲线示意图七、实验步骤1、将光发模块中的可调电阻 W101 逆时针旋转到底，使数字驱动电流达到最小值。2、拨动双刀三掷开关，将 BM1、BM2 选择在中间档，即将 R110 与电路断开。 3、用万用表测得 R110 电阻值，找出所测电压与半导体激光器驱动电流之间的关系（VIR 110）
7、 。4、 拨动双刀三掷开关，BM1 选择到半导体激光器数字驱动，BM2 选择到 1310。5、旋开光发端机光纤输出端口（1310nm T）防尘帽，用 FC-FC 光纤跳线将半导体激光器与光功率计输入端连接起来，并将光功率计测量波长调整到 1310nm 档。6、 连接导线：将 T502 与 T101 连接，将数字信号码型拨成10101010，10101010，10101010。7、 连接好实验箱电源，先开交流电源开关，再开直流电源开关，即按下 K01，K02 (电源模块)，并打开光发模块和数字信号源的直流电源（K10 与 K50） 。8、 用万用表测量 R110 两端电压（红表笔插 T103，黑
8、表笔插 T104） 。9、 慢慢调节电位器 W101，使所测得的电压为下表中数值，依次测量对应的光功率值，并将测得的数据填入下表 1-2，精确到 0.1uW。10、做完实验后先关闭光发模块和数字信号源的直流电源（K10 与 K50） ，然后依次关掉各直流开关（电源模块） ，以及交流电开关。11、拆下光跳线及光功率计，用防尘帽盖住实验箱半导体激光器光纤输出端口，将实验箱还原。12、将各仪器设备摆放整齐。表 1-2 LD 的 P-I 特性测试表U(mV) 1 2 3 4 5 6 7 8I(mA)P（uW）P（dBm）U(mV) 9 10 12 14 16 18 20 22I(mA)P（uW）P（d
9、Bm）U(mV) 24 26 28 30 32 34 36 38I(mA)P（uW）P（dBm）13、测量半导体激光器输出功率和注入电流，并画出 P-I 关系曲线。14、根据 PI 特性曲线，找出半导体激光器阈值电流，计算半导体激光器斜率效率。八、实验报告1、 字迹工整,原理论述清楚2、根据测试结果，算出半导体激光器驱动电流，画出光功率与注入电流的关系曲线。3、根据所画的 P-I 特性曲线，找出半导体激光器阈值电流 Ith 的大小4、根据 P-I 特性曲线，求出半导体激光器的斜率效率。5、实验结果及误差分析正确。九、思考题1、试说明半导体激光器发光工作原理。2、环境温度的改变对半导体激光器 P-I 特性有何影响？3、分析以半导体激光器为光源的光纤通信系统中，半导体激光器 P-I 特性对系统传输性能的影响。
