光电子技术实验讲义

《光电了技术实验》实验讲义光信息教研室2012年9月目录实验一LD/LED 的P-I-V 特性曲线测试............. - 2 -实验二光纤数值孔径测量实验................ - 8 -实验三光源调制与解调实验 (10)实验四电光调制实验 (15)实验五声光调制实验 (19)实验六、APD特性参数的测量 (25)实验一 LD/LED 的P-I-V 特性曲线测试、实验目的1、通过测试LD/LED 的功率一电流（P-I ）特性曲线和电压一电流（V-I ）特性曲线，计算阈 值电流（I th ），掌握LED 发光二极管和LD 半导体激光器的工作特性。

、实验内容1、测试LD/LED 的功率一电流（P-I ）特性曲线和电压一电流（V-I ）特性曲线。

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、 光功率计 1 台 5、 万用表1台四、 实验原理激光器是使工作物质实现粒子数反转分布产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放 大而产生激光振荡的。

激光，其英文 LASER 就是 Light Amplification by StimulatedEmission of Radiatio n（受激辐射的光放大）的缩写。

1、半导体激光器的结构半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体，由于邻近原子的作用，电子所处的能 态扩展成能级连续分布的能带，如下图（a ）所示，能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量 Eu 和价带顶的能量E 之间的能量差E u E l E g 称为禁带宽度或带隙， 不同的半导体材料有不同的带隙。

本征半导体中导带和价带被电子和空穴占据的几率是相同的， N 型半导体导带被电子占据的几率大， P 型半导体价带被空穴占据的几率大。

如下图（ b ）、（c ） 所示。

图1半导体激光器的电子和空穴分布半导体激光器的结构多种多样，基本结构是下图所示的双异质结平面条形结构。

这种结构由 三层不同类型半导体材料构成，中间层通常为厚度为 0.1〜0.3卩m 的窄带隙P 型半导体，称为有 源层，作为工作介质，两侧分别为具有较宽带隙的N 型和P 型半导体，称为限制层。

具有不同带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为异质结。

有源层与右侧的导带• 4 * 4 • • • • • • •*带常 Eg1 E LQ Q O匚|_OQOO o O卒征半导体N 型半导体abN 层之间形成的是 P--N 异质P 型半导体结，而与左侧的P层之间形成的是P--P异质结，故这种结构又称N-P-P双异质结构，简称DH结构。

图2半导体激光器的基本结构施加正向偏压后，就能使右侧的N层向有源层注入电子，左侧的P层向有源层注入空穴，但由于左侧的P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层，同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。

这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在0.1〜0.3卩m的有源层内，形成了粒子数的反转分布。

前后两个晶体解理面作为反射镜构成谐振腔。

给半导体激光器施加正向偏压，即注入电流是维持有源层介质的原子永远保持粒子数的反转分布，自发辐射产生的光子作为激发光子诱发受激辐射，受激辐射产生的更多新光子作为新的激发光子诱发更强的受激辐射。

2、半导体激光器的主要特性(1)输出电压特性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，如下图所示：VV T图3激光器输出V-I特性曲线由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V r o(2)输出光功率特性激光器光功率特性通常用输出光功率与激励电流I的关系曲线，既P—I曲线表示。

图4 LD/LED的P-I特性曲线在结构上，由于LED与LD相比没有光学谐振腔。

因此，LD和LED的功率—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直线。

从图5中可以看出LD的P-I曲线有一阈值电流I th，只有在工作电流l f>l th部分，P-I曲线才近似一根直线。

而在l f<l th部分，LD输出的光功率几乎为零。

给半导体激光器注入电流，就是给激光器有源层半导体工作介质注入能量，对价带上的载流 子（电子）进行激发，当注入电流较小时，导带和价带间载流子不能形成反转分布，这时从导带 上跃迁到价带上的载流子主要以自发辐射为主，产生的是荧光，即非相干光。

当注入电流达到一 定值时，导带和价带间载流子才能形成反转分布，产生受激辐射，激光器才有激光 （即相干光）输出，这个一定值称为阈值电流。

阈值电流以后，随着注入电流的增大，导带和价带间粒子数差值 增大，激光增益系数增大，输出功率增加，并与注入电流近似成线性关系，如下式所示。

式中I f 为注入电流，h 6.628 10 34 J S 为普朗克常数，8c 3 10 m/s 为光速，为入射光波长，e 为电子电量，n D 为外微分量子效率，I th 为阈值电流，P th 为阈值功率。

根据P-I 曲线可以求出激光器的阈值电流I th 和外微分量子效率nD ：将P-I 曲线的线性部分作直线与横坐标相交，交点处的电流值即为激光器的阈值电流；曲线线性部分的斜率为Dhfe由曲线求得斜率，可计算nD O（3）温度特性激光器输出光功率是随温度而变化的， 有两个原因：一是激光器阈值电流I th 随温度升高而增大，二是激光器外微分量子效率nD随温度升高而减小。

温度升高时， I th 增大，n D 减小，输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了。

当以直流电流驱动时，阈值电流 I th 随温度的变化更加明显。

阈值与温度的近似关系可以表示为：I th(T) lth (Tr )exp[(T Tr)仃0】图5 LD 温度特性曲线3、ZY-YSLD3125型激光器我们所用ZY-YSLD3125型半导体激光器是具有多量子阱 F-P 腔激光器LD ,内置背景光探测器 PD,这种激光器使用时具有下图所示四种型式：P P thI f I thhfc—为入射光频率，式中，T r 为室温，Ith （T r ）为室温下的阈值电流， T o 为特征温度。

不同温度下,LD 的 P-I曲线如图3,(T 2>T l )的管是探测器PD 的负（N 与激 光器LD 的负（N 或正（P ）相连，PD-Pside dwon 的管是探测器 PD 的正负（P ）与激光器 LD的负（N ）或正（P ）相连，与激光器 LD 的负（N ））相连的称为DVD 型管，与激光器 LD 的正（P ） 相连的称为 POINT 型管。

所用ZY-YSLD3125型激光器为 PD-N side dwon 的POINT 型管，单模光 参数 符号 测试条件 最小值典型值 最大值 单位 额定功率 Pout Iop=Ith+20.2 一 1 mW 中心波长 入 CW 1290 1310 1330 nm 光谱宽度 △入 CW 一 2 5 nm 阈值电流 Ith CW 一 10 15 mA 工作电流 lop CW 一 Ith+20 一 mA 探测器电流 Im CW 100 一 一 A 探测器暗电流IdCW一一0.1nA图7 LD 引脚说明：1.激光器正&管壳； 2. 激光器负；3.探测器负；4.探测器正。

4、ZY-YSLED3215型 LED 发光二极管参数 符号 测试条件 最小值 典型值 最大值 单位额定功率 Pout I F =60mA 10 一 一 1 W中心波长 入 CW 1280 1310 1350 nm 光谱宽度 △入 CW 一 一 170 nm 工作电压 Vop CW 一 1.2 1.7 V 上升下降时间Tr/T fCW一一3nsPD-1I Side down图6 LD 激光器的四种形式图中，LD 为激光器，PD 为背景光探测器。

PD-N side dwonLDD 切管FOiirr^PB-P Side down管脚说明如下:图8 LED 引脚说明：1.管壳；2.LED 负；3.LED 正5、ZY606 型 LD/ LED 电流源本机为激光二极管（LD ）专用测试设备，可广泛用于 650nm 780nm 808nm 850nm 980nm 1310nm 1550nm 等各种中小功率 LD 的电流测试及老化测试。

设备内部带 APC （Automatic Power Control ）电路及ACC （Automatic Current Control ） 电路，可以实现以下三种功能： 1） LD 电源； 2）lop 及Im 电流测试；3）LD 恒功老化及恒流老化。

4图9仪器前面板操作说明1） 本机只能对 PD-N side down 器，否则会损坏激光器。

2） 本机的一大特色是设备内部带 的LD 进行测量，不能用来测量 PD-P side down 安装的激光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。

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。

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。

没有 APC 电路的设备，则不能实现上述功能。

操作步骤1 ）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：将切换开关拨到恒功档，顺时针缓慢调节输出功率“粗调”旋钮，LD 射出激光。

改调“细调”旋钮，可将 LD 输出调至要求的数值（用一台光功率计来测量 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。

1356 76）恒流老化：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。