光纤通信实验材料

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P－I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、实验仪器

1、ZY12OFCom23BH1型光纤通信原理实验箱1台

2、FC接口光功率计1台

3、FC-FC单模光跳线 1根

4、万用表1台

5、连接导线 20根

四、实验原理

光源是把电信号变成光信号的器件，在光纤通信中占有重要的地位。性能好、寿命长、使用方便的光源是保证光纤通信可靠工作的关键。

光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面：首先，光源发光的峰值波长应在光纤的低损耗窗口之内，要求材料色散较小。其次，光源输出功率必须足够大，入纤功率一般应在10微瓦到数毫瓦之间。第三，光源应具有高度可靠性，工作寿命至少在10万小时以上才能满足光纤通信工程的需要。第四，光源的输出光谱不能太宽以利于传输高速脉冲。第五，光源应便于调制，调制速率应能适应系统的要求。第六，电—光转换效率不应太低，否则会导致器件严重发热和缩短寿命。第七，光源应该省电，光源的体积、重量不应太大。

作为光源，可以采用半导体激光二极管（LD,又称半导体激光器）、半导体发光二极管（LED）、固体激光器和气体激光器等。但是对于光纤通信工程来说，除了少数测试设备与工程仪表之外，几乎无例外地采用半导体激光器和半导体发光二极管。

本实验简要地介绍半导体激光器，若需详细了解发光原理，请参看各教材。

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30～50°，水平发散角为0～30°），与单模光纤的耦合效率高（约30％～50％），辐射光谱线窄（Δλ＝0.1～1.0nm），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。

半导体激光器的特性，主要包括阈值电流Ith、输出功率P0、微分转换效率η、峰值波长λp、光束发散角、脉冲响应时间t r、t f等。除上述特性参数之外，有时也把半导体激光器的工作电压、工作温度等列入特性参数。

阈值电流是非常重要的特性参数。图8-1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Ith 。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，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Ith 。

P-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Ith 之前半导体激光器输出荧光，到达Ith 之后输出激光，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比见式8-1。

(

)()d P I e P

hv e hv I

η∆∆∆==⋅

∆ （8-1） ΔP /ΔI 就是图8-1激射时的斜率，h 是普朗克常数（6.625*10-34

焦耳秒），v 为辐射跃

迁情况下，释放出的光子的频率。

图8-1 LD 半导体激光器P-I 曲线示意图

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Ith 尽可能小，Ith 对应P 值小，而且没有扭折点的半导体激光器。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：

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

λ

1280 1310 1340 nm Spectral Width RMS 谱线宽度

λ∆

2 5 nm Threshold Current 阈值电流

th I

8 15 mA Optical output power 输出功率 0P

0.2 0.4 mW Forward Voltage 正向电压

Vf 1.2 1.6 V

Rise Time/Fall Time

tr/tf 0.3 0.5 ns 上升/下降时间

………………………………

本实验所涉及的实验框图如图8-2，R110（1Ω）与激光器串联。

图8-2 激光器工作框图

电路中的驱动电流在数值上等于R110两端电压与电阻值之比。为了测试更加精确，实验中先用万用表测出R110的精确值(将BM1、BM2都拨到中档，用万用表的欧姆档测T103、T104之间的电阻)，计算得出半导体激光器的驱动电流，然后用光功率计测得一定驱动电流下半导体激光器发出激光的功率，从而完成P-I特性的测试。并可根据P-I特性得出半导体激光器的斜率效率。

五、实验步骤

1、用导线连接电终端模块T68(M)和T94(13_DIN)。

2、将开关BM1拨为1310nm,将开关K43拨为“数字”，将电位器W44逆时针旋转到最小。

3、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。

4、用万用表测量T97（TV+）和T98(TV-)之间的电阻值（电阻焊接在PCB板的反面），找出所测电压与半导体激光器驱动电流之间的关系（V＝IR110）。

5、将电位器W46（阈值电流调节）逆时针旋转到底。

6、打开交流电源，此时指示灯D4、D5、D6、D

7、D8亮

7、用万用表测量T97（TV+）和T98(TV-)两端电压（红表笔插T97，黑表笔插T98）。

8、慢慢调节电位器W44（数字驱动调节），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。

9、做完实验后先关闭交流电开关。

10、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。