光纤光学与半导体激光器的电光特性实验(精)
光纤光学与半导体激光器的电光特性(课题)
- 59 - 光纤光学与半导体激光器的电光特性1970年美国康宁玻璃公司Kapron 博士等人研制出低损耗的光纤，同年贝尔研究所的林严雄等人研制出能在室温下连续工作的半导体激光器，这两项关键技术的重大突破，使光纤通信开始从理想变为可能，引起各国电信科技人员竞相研究和实验。
至今，应用光纤通信系统已经多次更新换代，通信容量和传输距离迅速增长，光纤通信系统已成为通信线路的骨干。
预习要求1．了解半导体激光器的输出特性。
2．查阅资料，了解光纤的结构和分类、光纤的耦合、光纤中光信号的传输理论（光纤中的模式），知道数值孔径的定义及其测量方法。
课题任务及部分实验方案参考1． 仔细阅读说明书，了解主机面板功能。
2． 研究半导体激光器的电光特性，绘制电流—功率曲线，曲线斜率急剧变化处所对应的电流即为阈值电流。
注：为防止半导体激光器因过载而损坏，实验仪中含有保护电路，当电流过大时，光功率会保持恒定，这是保护电路在起作用，而非半导体激光器的电光特性。
3．测量耦合效率，然后取下功率指示计探头，换上白屏，轻轻转动各耦合调整旋钮，或轻轻弯曲光纤，观察光斑形状变化（模式变化）。
注：此实验务必认真处理光纤端面，并将光纤小心地放入光纤夹中，处理过的光纤端面不应再被触摸，以免损坏和污染。
4．光斑法测量数值孔径。
提示：仔细调整各耦合旋钮，尽量使输出成为明亮、对称、稳定，附件的探头光栏置于Φ6.0档，并使之紧贴光纤输出端面，以保证输出光可全部进入探头，公式 2200sin r l r i n NA +==5．正确连线、观察、了解音频模拟信号的调制、传输、解调过程和情况。
6．测量光纤中的光速和光纤材料的平均折射率。
7.(选作)光斑扫描法测量数值孔径。
耦合状态同任务4，探头光阑置于直径0.5-1mm 档，距光纤输出端面前40~80mm 处，找到高斯光斑的中心位置，沿径向平移探测器至接收到的光功率最小，绘出光强分布曲线，应近似为高斯曲线，以该曲线的最高点的1/e 2处的尺寸作为光斑直径2r ，计算数值孔径。
半导体激光器电学特性的测量实验
半导体激光器电学特性的测量实验一、测试实验原理半导体激光器的核心是PN 结，当用光照和电子束激励或电注入等方式使半导体中的载流子从平衡状态时的基态跃迁到非平衡状态时的激发态，此过程称为激发或激励，它的逆过程就是处于非平衡态激发态上的非平衡载流子回复到较低的能态而放出光子的过程，这就是复合辐射。
半导体发光器件的本质就是注入到半导体PN 结中的非平衡载流子——电子空穴对复合发光。
这是一种非平衡载流子复合的自发辐射，激光器则是上述的非平衡载流子的复合发光在激光器的具有增益的光介质谐振腔作用下形成相干振荡而输出激光，所以发光管的发光效率决定于半导体材料的自发辐射系数的大小。
激光器辐射发光除与材料的增益系数有关外还与谐振腔的特性和结构尺寸有关。
半导体材料的增益系数为：jm g β=β为增益因子，m 为与结构有关的指数，j 为电流密度。
激光器的阈值条件为：)/1()2/1(21R R L L a g n +=a 为腔内的其它损耗，Ｌ为腔长，1R 2R 为腔端面的反射系数，所以激光器的阈值电流密度为：()()[]21/12/1/1R R L L j n mth +=αβ由上可知一个制作好的激光器件或发光管，它既是一个ＰN 结二极管，又是一个电光转换器，它们的工作过程是，当给它正向注入载流子时则在二极管中产生电 子空穴对的复合跃迁而发射光子，光子的能量由二极管的材料的禁带宽度gE 决定，hvE g =，h 为普朗克常数，v 为光频率，发射的同时还存在光的吸收，称为吸收跃迁。
注入小时，吸收大于发射，没有光输出，当注入载流子增大时随发射的增加将逐渐大于吸收而得到荧光输出，发光管就是这样工作的。
但对于激光器由于有介质谐振腔存在，则输入载流子达到激光器的阈值电流时则产生激光输出，再继续增加注入电流，输出光功率也增大，同理，管的功率发热也增加，注入过大时则管子因发热而损坏，从这里我们可以看出，半导体激光器件的特性包括PN 结二极管的I —V 特性和载流子注入而产生的电光转换特性，测量其特性参数可采用两种电注入方法：第一种为脉冲法、第二种为直流法。
半导体激光器P-I特性测试实验
太原理工大学学生实验报告
1.根据实验记录数据，算出半导体激光器驱动电流，画出相应的光功率与注入电
流的关系曲线。
(测得电阻为Ω)
2.根据所画的P-I特性曲线，找出半导体激光器阈值电流I th的大小。
3.根据P-I特性曲线，求出半导体激光器的斜率效率。
七、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。
八、思考题
1.试说明半导体激光器发光工作原理。
半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质(既利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。
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，（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
2.环境温度的改变对半导体激光器P-I特性有何影响
随着温度的上升，阈值电流越来越大，功率随电流变化越来越缓慢。
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。
半导体激光器PI特性测试实验
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。
11.将各仪器设备摆放整齐。
六、实验报告
1.根据实验记录数据，算出半导体激光器驱动电流，画出相应的光功率与注入电流的关系曲线。(测得电阻为1.7Ω)
四、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。
五、实验步骤及结果
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.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（V＝IR110）。
2.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。
3.根据P-I特性曲线，求出半导体激光器的斜率效率。
七、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。
八、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？
随着温度的上升，阈值电流越来越大，功率随电流变化越来越缓慢。
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。
当注入电流较小时，激活区不能实现粒子束反转，自发发射占主导地位。，激光器发射普通的荧光。随着注入电流的增加，激活器里实现了粒子束反转，受激辐射占主导地位。但当注入电流小于阈值电流时，谐振腔内的增益还不足以克服如介质的吸收、镜面反射不完全等引起的谐振腔的损耗时，不能在腔内建立起振荡，激光器只发射较强荧光。只有当注入电流大于阈值电流时，才能产生功率很强的激光。
半导体激光器电学特性的测量实验(精)
半导体激光器电学特性的测量实验测试实验原理半导体激光器的核心是PN结，当用光照和电子束激励或电注入等方式使半导体中的载流子从平衡状态时的基态跃迁到非平衡状态时的激发态，此过程称为激发或激励，它的逆过程就是处于非平衡态激发态上的非平衡载流子回复到较低的能态而放出光子的过程，这就是复合辐射。
半导体发光器件的本质就是注入到半导体PN结中的非平衡载流子——电子空穴对复合发光。
这是一种非平衡载流子复合的自发辐射，激光器则是上述的非平衡载流子的复合发光在激光器的具有增益的光介质谐振腔作用下形成相干振荡而输出激光，所以发光管的发光效率决定于半导体材料的自发辐射系数的大小。
激光器辐射发光除与材料的增益系数有关外还与谐振腔的特性和结构尺寸有关。
半导体材料的增益系数为：为增益因子，为与结构有关的指数，为电流密度。
激光器的阈值条件为：为腔内的其它损耗，Ｌ为腔长，为腔端面的反射系数，所以激光器的阈值电流密度为：由上可知一个制作好的激光器件或发光管，它既是一个ＰN结二极管，又是一个电光转换器，它们的工作过程是，当给它正向注入载流子时则在二极管中产生电子空穴对的复合跃迁而发射光子，光子的能量由二极管的材料的禁带宽度决定，，为普朗克常数，为光频率，发射的同时还存在光的吸收，称为吸收跃迁。
注入小时，吸收大于发射，没有光输出，当注入载流子增大时随发射的增加将逐渐大于吸收而得到荧光输出，发光管就是这样工作的。
但对于激光器由于有介质谐振腔存在，则输入载流子达到激光器的阈值电流时则产生激光输出，再继续增加注入电流，输出光功率也增大，同理，管的功率发热也增加，注入过大时则管子因发热而损坏，从这里我们可以看出，半导体激光器件的特性包括PN结二极管的—特性和载流子注入而产生的电光转换特性，测量其特性参数可采用两种电注入方法：第一种为脉冲法、第二种为直流法。
所谓脉冲法就是用低频率脉冲电流注入器件进行测量，一般用干非线型管或不能在室温下连续工作的器件。
半导体激光器光学特性测量实验报告
半导体激光器光学特性测量实验学号：姓名：班级：日期：【摘要】激光器的三个基本组成部分是：增益介质、谐振腔、激励能源。
本实验通过测量半导体激光器的输出特性、偏振度和光谱特性，进一步了解半导体激光器的发光原理，并掌握半导体激光器性能的测试方法。
【关键词】半导体激光器、偏振度、阈值、光谱特性一、实验背景激光是在有理论准备和实际需要的背景下应运而生的。
光电子器件和技术是当今和未来高技术的基础之一。
受激辐射的概念是爱因斯坦于1916年在推导普朗克的黑体辐射公式时提出来的, 从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性，这是激光的理论基础。
直到1960年激光才被首次成功制造（红宝石激光器）。
半导体激光（Semiconductor laser）在1962年被成功发明，在1970年实现室温下连续输出。
半导体激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱（单、多量子阱）等多种形式，制作方法从扩散法发展到液相外延(LPE)、气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金属有机化合物气相淀积(MOCVD)、化学束外延(CBE) 等多种工艺。
由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制及价格低廉等优点, 使得它目前在各个领域中应用非常广泛。
半导体激光器已经成功地用于光通讯和光学唱片系统，还可以作为红外高分辨率光谱仪光源，用于大气检测和同位素分离等；同时半导体激光器成为雷达，测距，全息照相和再现、射击模拟器、红外夜视仪、报警器等的光源。
半导体激光器与调频器、放大器集成在一起的集成光路将进一步促进光通讯和光计算机的发展。
半导体激光器主要发展方向有两类，一类是以传递信息为目的的信息型激光器，另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。
本实验旨在使学生掌握半导体激光器的基本原理和光学特性，利用光功率探测仪和CCD光学多道分析器，测量可见光半导体激光器输出特性、不同方向的发散角、偏振度，以及光谱特性，并熟悉光路的耦合调节及CCD光学多道分析器等现代光学分析仪器的使用，同时进一步了解半导体激光器在光电子领域的广泛应用。
大学物理实验：光纤光学与半导体激光器的光电特性实验
实验39 光纤光学与半导体激光器的电光特性实验二十世纪六七十年代，光纤通信技术和半导体激光器取得了突破性的进展。
光纤通信具有容量大、频带宽、损耗低、传输距离远、不受电磁场干扰等优点，因此光纤通信已成为现代社会最主要的通信手段之一。
半导体激光器是近年来发展最为迅速的一种激光器，由于它体积小、重量轻、效率高、成本低，所以其在光通信、光存储、光陀螺、激光打印、激光测距以及雷达等方面获得了广泛的应用。
【实验目的】（1）了解半导体激光器的电光特性和光纤的基本结构。
（2）掌握作图法获得半导体激光器阈值电流的方法。
（3）掌握光纤的耦合效率和数值孔径的概念及其测量方法。
（4）初步了解光纤通信原理。
【实验仪器】GX1000光纤实验仪，导轨，半导体激光器+二维调整架，光纤夹+三维光纤调整架，光纤，光接收器+二维调整架，激光功率指示计，十二档功率计光探头+一维位移架，音源等。
【实验原理】１．半导体激光器的电光特性当半导体激光器的驱动电流小于某值时，输出光功率很小，一般我们认为输出的不是激光，只有当驱动电流大于一定值（I 0），使半导体增益系数大于阈值时，才能产生激光，驱动电流I 0称之为阈值电流。
半导体激光器的驱动电流与光输出功率的关系如图39-1所示。
２．光纤的结构一般裸光纤具有纤芯、包层及涂覆层（保护层）的三层结构，如图39-2所示。
①纤芯：由掺有少量其他元素（为提高折射率）的石英玻璃构成。
②包层：由石英玻璃构成，但由于成分的差异它的折射率比纤芯的折射率略微低一些，以形成全反射条件。
③涂覆层：为了保护光纤，在包层外涂覆了塑料或树脂保护层，增加了光纤的强度和抗弯性。
光主要在纤芯中传播。
３．光纤的耦合及耦合效率光纤的耦合是指将激光从光纤输入端面输入光纤，以使激光可沿光纤进行传输。
由于光纤有效传输直径（芯层）过于细小，无法用肉眼来衡量耦合的情况。
为此，我们可以从光纤的输出端通过观察输出光的强弱和光斑的情况来判断耦合情况的好坏。
半导体激光器P-I特性测试实验
实验二半导体激光器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、ZY1804I型光纤通信原理实验系统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。
实验7.1半导体激光器的电学和光学性能测试半导体激光器是指以半导
实验7.1 半导体激光器的电学和光学性能测试半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器，又称半导体激光二极管（L D），是20世纪60年代发展起来的一种激光器。
半导体激光器的工作物质有几十种，例如砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）等，激励方式主要有电注入式、光泵式和高能电子束激励式三种。
半导体激光器从最初的低温（77K）下运转发展到室温下连续工作；从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱（单、多量子阱）等多种形式。
半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的光纤导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展。
半导体激光器的体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其应用遍布临床、加工制造、军事，其中尤以大功率半导体激光器方面取得的进展最为突出。
一、实验目的1、学习半导体激光器发光原理；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-I-V曲线的测试方法；4、掌握半导体发光器件光谱的测量方法；5、理解90%功率光谱宽度和光谱宽度(FWHM)的意义。
二、实验仪器半导体测试仪、半导体耦合光纤激光器、光谱仪、积分球、温控电源等。
三、实验原理3.1 半导体激光器发光原理半导体发光器件是以一定的半导体材料作为工作物质而产生受激发射作用的器件；其工作原理是通过一定的激励方式,在半导体物质的能带(导带与价带)之间,或者半导体物质的能带与杂质(受主或施主)能级之间,实现非平衡载流子的粒子数反转,当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生受激发射作用。
图1 激光器工作原理(a)双异质结构(b)能带(c)折射率分布(d)光功率分布图1为激光器工作原理。
由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后， P 层的空穴和N 层的电子注入有源层。
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。
实验2光纤光学与半导体激光器的电光特性(精)
实验二光纤光学与半导体激光器的电光特性一、实验内容与目的1、半导体激光器的电光特性与阈值电流用功率指示计测量半导体激光器在不同工作电流下的输出功率，求出阈值电流。
了解掌握半导体激光器的使用方法和电光特性。
2、光纤光学以可见光半导体激光器作为光源，通过一套五维调整机构将激光耦合进光纤，激光在光纤中传输一定距离后从光纤的另一端输出，通过对输出光的测量和观察，了解掌握光纤的一些光学特性和参数测量方法，进一步理解和巩固光学的基本原理和知识。
对光纤的使用技巧和处理方法有一定的了解。
实验内容有：1）光纤的端面处理。
2）光纤的耦合与藕合效率的测量。
3）光纤的激励模式。
4）光在光纤中的传输时间的测定，并根据光纤长度推算出光在光纤在的传输速率和纤芯的折射率。
5）模拟信号（音频）的调制、在光纤中的传输、接受、放大与解调还原。
二、实验仪器1. GX1000光纤实验仪2 .光学实验导轨（800mm ）3 .半导体激光器+二维调整架4.三维光纤调整架+光纤夹5.光纤（200m ）6.光纤座+磁吸7 •光探头+二维调整8•功率指示计9 •光纤刀10.显示屏11•一维位移架+12档光栏头12.示波器13•音频信号源三、设备的安装a将导轨平稳地放置在一个坚固、稳定的平台上。
b在导轨的一端（底角附近）放置半导体激光器调整架和三维光纤调整架，另一端放置光纤座和二维可调光探头。
c粗调各调整架的高度，使其高度大致相等。
d将半导体激光器与实验仪发射板的输出口相连，输出波形通过信号线与示波器CH1通道相连。
二维光探头与接收板上的输入口相连，输出波形（解调前）通过信号线与示波器CH2通道相连。
模拟音频信号接入音频输入端e将功率指示计探头与功率指示计相连，待用。
f将实验仪后面板上的喇叭开关置于关状态。
四、实验项目及步骤（一）半导体激光器的电光特性a将实验仪功能档置于直流”档。
用功率指示计探头换下三维光纤调整架。
b打开实验仪电源，将电流旋钮顺时针旋至最大。
光纤光学与半导体激光特性实验指导书
光纤光学与半导体激光特性实验指导书光纤光学与半导体激光器的电光特性20世纪70年代光纤制造技术和半导体激光器技术的突破性发展，光纤通信已成为现代社会最主要的通信手段之一。
本实验利用通信用单模光纤和可见光（红光）半导体激光器对光通信过程进行了一个开放的、原理性的模拟，以期通过实际操作，对光纤本身的光学特性和半导体激光器的电光特性进行一个初步的研究。
使学生对光纤和半导体激光器有一个基本的了解和认识。
一．实验目的1．理解和巩固光学的基本原理和知识；2．了解掌握光纤的使用技巧和处理方法；3．了解掌握半导体激光器的使用方法和电光特性；4、了解掌握光纤的一些光学特性和参数测量方法。
二．基本原理光纤通信的光学理论是建立在光的全反射理论和波导理论上的。
现代光通信中使用的光纤一般分为单模光纤和多模光纤两种。
它们在结构上的区别主要在于纤芯的几何尺寸上，图1是光纤结构图。
它由三层结构构成：（1）纤芯：由掺有少量其他元素的石英玻璃构成（为提高折射率），对于单模光纤，直径约9.2 mm，而对于多模光纤，纤芯直径一般为50 mm。
这是它们在结构上的最主要区别。
（2）包层：由石英玻璃构成，但由于成分的差异它的折射率比纤芯的折射率略微低一些，以形成全反射条件。
直径约为125 mm。
（3）涂覆层：为了增加光纤的强度和抗弯性、保护光纤，在包层外涂覆了塑料或树脂保护层。
其直径约245 mm。
激光主要在纤芯和包层中传播。
图1 光纤结构示意图1．光纤端面的处理为了使激光在输入光纤和输出光纤时有一个理想的状态，如较高的耦合效率，均匀对称的光斑和模式。
一般均需要对光纤的端面进行较为细致的处理。
一般光纤端面的处理有两种主要方法。
一种是使用专用刀具进行切割。
另一种为研磨处理。
在本实验中，采用较为简单的手工刀具切割，以使光纤端面较为平整。
2．光纤的耦合和耦合效率在本实验中，光纤的耦合是指将激光从光纤端面输入光纤，以使激光可沿着光纤进行传输。
在这里采用了一套有五个自由度的调整机构来进行光纤的耦合。
光纤光学与半导体激光器的电光特性（课题）
光纤光学与半导体激光器的电光特性（课题）- 59 - 光纤光学与半导体激光器的电光特性1970年美国康宁玻璃公司Kapron 博士等人研制出低损耗的光纤，同年贝尔研究所的林严雄等人研制出能在室温下连续工作的半导体激光器，这两项关键技术的重大突破，使光纤通信开始从理想变为可能，引起各国电信科技人员竞相研究和实验。
至今，应用光纤通信系统已经多次更新换代，通信容量和传输距离迅速增长，光纤通信系统已成为通信线路的骨干。
预习要求1．了解半导体激光器的输出特性。
2．查阅资料，了解光纤的结构和分类、光纤的耦合、光纤中光信号的传输理论（光纤中的模式），知道数值孔径的定义及其测量方法。
课题任务及部分实验方案参考1．仔细阅读说明书，了解主机面板功能。
2．研究半导体激光器的电光特性，绘制电流—功率曲线，曲线斜率急剧变化处所对应的电流即为阈值电流。
注：为防止半导体激光器因过载而损坏，实验仪中含有保护电路，当电流过大时，光功率会保持恒定，这是保护电路在起作用，而非半导体激光器的电光特性。
3．测量耦合效率，然后取下功率指示计探头，换上白屏，轻轻转动各耦合调整旋钮，或轻轻弯曲光纤，观察光斑形状变化（模式变化）。
注：此实验务必认真处理光纤端面，并将光纤小心地放入光纤夹中，处理过的光纤端面不应再被触摸，以免损坏和污染。
4．光斑法测量数值孔径。
提示：仔细调整各耦合旋钮，尽量使输出成为明亮、对称、稳定，附件的探头光栏置于Φ6.0档，并使之紧贴光纤输出端面，以保证输出光可全部进入探头，公式 2200sin r l r i n NA +==5．正确连线、观察、了解音频模拟信号的调制、传输、解调过程和情况。
6．测量光纤中的光速和光纤材料的平均折射率。
7.(选作)光斑扫描法测量数值孔径。
耦合状态同任务4，探头光阑置于直径0.5-1mm 档，距光纤输出端面前40~80mm 处，找到高斯光斑的中心位置，沿径向平移探测器至接收到的光功率最小，绘出光强分布曲线，应近似为高斯曲线，以该曲线的最高点的1/e 2处的尺寸作为光斑直径2r ，计算数值孔径。
半导体激光器光学特性测量实验报告
半导体激光器光学特性测量实验报告【摘要】激光是20世纪一项重大的发明，被广泛应用于生活之中。
激光的产生原理是受激辐射，需要满足粒子数反转、谐振腔反馈和阈值三个条件。
激光的工作介质有很多类型，其中的半导体激光器具有体积小、质量轻、稳定高效、可调制等特点。
本文使用激光器、光功率指示仪、透镜、偏振器等器件测量了可见光波段的半导体激光器的输出特性曲线、发散角、偏振度和光谱等特性，对半导体激光器的光学特性进行了总结。
【关键字】激光，半导体，偏振，发散角，光谱，定标Experiment report of Semiconductor laser optical characteristic measurementAbstract : The theory of laser generation is stimulated radiation, which needs to meet the three conditions of particle number conversion,resonant cavity feedback and threshold. There are many types of laser working media, among which semiconductor lasers have the characteristics of small size, light weight, stable and efficient, and can be modulated. This article use lasers, optical power indicators, lenses, polarizer and other devices to measure the output characteristic curve, divergence angle, alignment and spectrum of visible light semiconductor lasers, and summarize the optical characteristics of semiconductor lasers.Key words: laser, semiconductor, polarization, divergence, spectrum, calibration1. 引言继相对论、量子物理、原子能技术、计算机技术之后，激光技术成为了20世纪又一大重大科学技术新成就。
光纤光学与半导体激光器的电光特性数据处理
光纤光学与半导体激光器的电光特性数据处理一、绘制表格并记录半导体激光器的电流值和响应的光功率值，并绘制电流-功率曲线电流/mA35.5 40.0 43.1 44.2 44.9 46.0 47.1 48.1 49.1 50.2 51.1 功率/mw0.02 0.05 0.09 0.12 0.22 0.53 0.93 1.43 1.86 2.31 2.78 电流/mA52.8 53.0 54.2 55.2 56.4 60.5 63.5 66.5 68.1 70.0 71.7功率/mw 3.52 3.66 4.04 4.48 5.07 6.85 8.13 9.4210.0110.611.14Origin作图如下：该曲线斜率最大的点在（52.8,3.52），斜率为0.56765，可以得出直线y=0.46k+20.74，知该直线在X轴的截距为20.74，即阈值电流为20.74。
（该阈值电流值为大概值，这样计算并不准确。
）分析：由上图可以看出，半导体工作电流与功率值的关系曲线曲线呈指数形式递增。
当半导体激光器电流小于某值时，输出功率很小，一般我们认为输出的不是激光，只有当电流大于一定值（I0），使半导体增益系数大于阈值时，才能产生激光，电流I0称之为阈值电流。
半导体激光器的电流与光输出功率的关系如右图，当电流大于I0时，激光输出功率急剧增大。
激光输出功率急剧增大。
这是因为当光的增益大于损耗时，就形成激光的阈值条件，激光器提供增益的手段是加正向电流，当正向电流较小时，注入的载流子较少，增益未能克服腔内损益也能发光，但这是自发辐射。
当增益大于腔内损耗时，腔内建立振荡模式，发射谱线变尖锐，亮度剧增，开始发射激光。
二、在显微镜下观察处理过的光纤端面显微镜下光纤侧面光纤侧面在显微镜下，光纤是一个圆柱体，由于光纤较细较之其他的形状如正方体等，圆柱体没有棱角，更不易被损坏。
由于包层较薄，所以较难在包层与纤芯之间做切割，所以本实验所观察的光纤至做了两层切割。
光纤实验内容(四个实验)
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。
半导体激光器P-I特性测试实验
太原理工大学学生实验报告
1.根据实验记录数据，算出半导体激光器驱动电流，画出相应的光功率与注入电
流的关系曲线。
(测得电阻为Ω)
2.根据所画的P-I特性曲线，找出半导体激光器阈值电流I th的大小。
3.根据P-I特性曲线，求出半导体激光器的斜率效率。
七、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。
八、思考题
1.试说明半导体激光器发光工作原理。
半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质(既利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。
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，（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
2.环境温度的改变对半导体激光器P-I特性有何影响
随着温度的上升，阈值电流越来越大，功率随电流变化越来越缓慢。
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。
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光纤光学与半导体激光器的电光特性实验上个世纪70年代光纤制造技术和半导体激光器技术取得了突破性的进展。
光纤通信具有容量大、频带宽、光纤损耗低、传输距离远、不受电磁场干扰等优点，因此光纤通信已成为现代社会最主要的通信手段之一。
半导体激光器是近年来发展最为迅速的一种激光器。
由于它的体积小、重量轻、效率高、成本低，已进入了人类社会活动的多个领域。
【实验目的】1．了解半导体激光器的电光特性和测量阈值电流。
2．了解光纤的结构和分类以及光在光纤中传输的基本规律。
3．掌握光纤数值孔径概念、物理意义及其测量方法。
4．对光纤本身的光学特性进行初步的研究。
【实验仪器】GX-1000光纤实验仪，导轨，半导体激光器+二维调整，三维光纤调整架+光纤夹，光纤，光探头+二维调整架，激光功率指示计，一维位移架+十二档光探头（选购），专用光纤钳、光纤刀，示波器，音源等。
如右图所示。
1．设备参数：（1）半导体激光器类型：氮化镓，工作电流：0-70mA ，激光功率：0-10mW ，输出波长：650nm ；（2）总输出电压为3.5-4V ，考虑保护电路分压，所以管芯电压降为2.2V 。
（3）光纤损耗率：每千米70%，实验所用光纤长度：200m ，计算损耗为93.1%，如激光输出功率为10mW ，除去损耗后激光输出的总功率：9.31mW ，（计算耦合效率时用到）。
（4）信号源频率可用范围:10KH Z -300KH Z 。
2．主机功能实验主机面板如下图 GX1000光纤实验仪发射接受北 京 方 式 科 技 有 限 责 任 公 司电流 mA电流调节直流调制脉冲频率输出 波形音频输入 波形输入 波形 波形解调电源开关表头功能状态旋钮主机主要由3部分组成：电源模块、发射模块、接收模块。
(1)电源模块 主要是为半导体激光器和主机其它模块提供电源。
由3部分组成：①表头：三位半数字表头，用于显示半导体激光器的平均工作电流。
该电流可通过表头下的电位器进行调整。
②电源开关：220VAC电源开关。
③电流调节旋钮：半导体激光器的工作电流调整钮。
(2)发射模块主要功能为半导体激光器工作状态和频率参数的控制。
内含一频率可调的矩形波发生器、一个频率固定的矩形波发生器和模拟信号调制电路。
①功能状态选择钮：用于选择半导体激光器的工作状态。
直流档：半导体激光器工作在直流状态。
脉冲频率档：半导体激光器工作在周期脉冲状态下。
输出的激光是一系列的光脉冲，且频率可调。
调制档：激光器工作在周期脉冲状态下，但频率固定，脉冲宽度受外部输入的音频信号调制。
②脉冲频率旋钮：用于调节脉冲信号的频率。
③输出插座：三芯航空插座。
连接半导体激光器。
④输出波形插座：Q9插座。
接示波器，用于观察驱动激光器的波形。
⑤音频输入插座：3.5mm耳机插座。
连接音频信号源——单放机。
⑥音频输入波形插座：Q9插座。
接示波器，可用于观察音频信号波形。
(3)接收模块主要功能为光信号的接受、放大、解调和还原。
内含光电二极管偏置驱动、高频放大、解调、音频功放电路和扬声器等。
①输入插座：Q9插座。
连接光电二极管。
用于探测光脉冲信号。
②波形插座：两个Q9插座。
可分别接示波器，观察波形。
前一个为解调前的脉冲信号波形，后一个为解调后的模拟音频信号波形。
③扬声器开光：用于控制内置扬声器的开和关。
在主机后面板上。
： 3.OPT-1A型激光功率指示计是一种数字显示的光功率测量仪器，采用硅光电池作为光传感器，针对650nm波长的激光进行了标定，用于测量该波段的激光功率。
如图：(1)前面板①表头：3位半数字表头，用于显示光强的大小。
②量程选择钮：分为200uW、2mW、20mW、200mW四个标定量程和可调档；测量时尽量采用合适的量程，如测得的光强为1.732mW，则采用2mW量程。
可调档显示的是光强的相对值。
③调零：调零时应遮断光源，旋动调零旋钮，使显示为零，调零完毕。
(2)后面板①电源开关按钮：电源开关（220VAC）。
②LD插座：本功率指示计可作为我公司生产的半导体激光器的电源。
③光探头插座：与光探头相连接。
(3)功率计探头①该光探头在硅光电池前加上一多结构光栏，可用于光斑定位，光强分布、光斑结构测量等。
②结构分别为圆孔和细缝；圆孔直径为0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、6.0mm，缝宽0.2、0.3、0.4、0.8、1.2mm。
③在使用时，用此探头与OPT-1A型激光功率指示计连接即可，用户根据实际测量需要，采用相应的采光档位（硅光电池置于光栏正上方）。
④探头：内置硅光电池，与光探头插座相连接。
前面板后面板12档光栏盘探头【实验原理】1.半导体激光器的电光特性当半导体激光器电流小于某值时，输出功率很小，一般我们认为输出的不是激光，只有当电流大于一定值（I0），使半导体增益系数大于阈值时，才能产生激光，电流I0称之为阈值电流。
半导体激光器的电流与光输出功率的关系如右图，当电流大于I0时，激光输出功率急剧增大。
激光输出功率急剧增大。
半导体激光器的电流与输出功率的关系如图1所示。
激光工作时电流大于I0，但也不可过大，以防损坏激光管（本实验加了保护电路，防止功率过载）。
对激光器的调制电流应在I0附近，此时光功率对电流变化的灵敏度较高。
2.光纤的结构与分类一般裸光纤具有纤芯、包层及涂敷层（保护层）的三层结构，如图2所示。
①纤芯：由掺有少量其他元素（为提高折射率）的石英玻璃构成，对于单模光纤。
直径约为9.2微米。
而对于多模光纤，纤芯直径一般为50微米。
②包层：由石英玻璃构成，但由于成分的差异它的折射率比纤芯的折射率略微低一些，以形成全反射条件。
直径约为125微米。
③涂覆层：为了增加光纤的强度和抗弯性、保护光纤，在包层外涂覆了塑料或树脂保护层。
其直径约245微米。
激光主要在纤芯和包层中传播。
按纤芯径向介质折射率分布的不同，可将光纤分为均匀和非均匀两类。
如图3，均匀光纤的纤芯与包层介质的折射率分别呈均匀分布，在分界面处折射率有一突变，故又称阶跃型光纤；非均匀光纤纤芯的折射率沿径向成梯度分布，而包层的折射率为均匀分b阶跃型多模光纤c梯度折射率型光纤nnna阶跃型单模光纤图2I0图1IP布，故又称为梯度折射率型光纤。
按照传输特性的不同，又可将光纤分为单模和多模两种。
单模光纤较细，只允许一种传播状态（模式）；多模光纤较粗，可允许同时存在多种传播状态（模式）。
3.光纤的数值孔径及其测量由于全反射临界角i c 的限制，光纤对自其端面外侧入射的光束相应的存在着一个最大的入射孔径角，参考图4。
假设光纤端面外侧介质的折射率为n 0，自端面外侧以i 0角入射的光线进入光纤后，其到达纤芯与包层分界面处的入射角i 1刚好等于临界角i c 。
那么当端面外侧光线的入射角大于i 0时，进入光纤时将不满足全反射条件。
因此，i 0就是能够进入光纤且形成稳定光传输的入射光束的最大孔径角。
可以证明，对于阶跃型光纤，有：=0arcsin i00sin i n NA ==1/e 2处的半角的正弦值，如图5所示。
到最大值的1/e 2处的半张角的正弦值，n 0为空气中的折射率，n 0≈1。
2200sin r l r i n NA +== （3）4.模式根据光的波导理论，光在光纤中的传播，应可用电磁波的麦克斯韦方程来描述，在一特定的边界条件下麦克斯韦方程有一些特定的解，这些解代表着一些可在光纤中长期稳定传输的光束，这些光束或解即被我们称为模式。
理论可以证明，对于波长为1310nm 或1550nm 的光波当纤芯小于10um 时，我们所使用的光线中只有一个基模可以稳定传输。
它沿径向的光强分布为高斯分布。
这种光纤被我们称为单模光纤。
光纤中的模式除了与光纤本身的参数折射率、直径有关外，还与光的波长有关。
在本实验中采用的是单模光纤，但此“单模”是针对1310-1550nm 波长的，而本实验采用的是650nm 的可见激光，因此有时光纤中耦合模式将不是单模，而是一个简单的多模（如梅花状），各模式间可能有不同的传输路径和偏振态。
不同的传输路径将导致光信号的脉冲展宽（色散）。
5.光纤的耦合和耦合效率光纤的耦合是指将激光从光纤端面输入光纤，以使激光可沿光纤进行传输。
一般来说，将激光的不对称发射光束与圆对称的光纤进行最优耦合，需要在光纤和光源之间插入透镜，即所谓的直接耦合。
直接耦合技术上比较简单，但耦合效率比较低。
在这里采用了一套有五个自由度的调整机构来进行光纤的耦合。
（半导体激光器被固定在一个二个自由度的角度调整架上，光纤固定在一个三自由度的直线调整架上）。
首先，我们通过五个自由度 图4的反复、细致的调整，使经过聚焦的激光焦点尽量准确地、垂直地落在光纤端面上，以使尽量多的激光进入光纤。
由于激光焦点和光纤的端面过于明亮和细小，因此我们无法用肉眼来判断耦合的情况。
我们从光纤的另一端（输出端）通过观察输出光的强弱（光功率）和光斑的情况来判断耦合情况。
当我们将激光耦合进光纤后，我们会在输入端面后的一段光纤壁上看到一些泄漏的激光（光纤成红色）这是一些不满足光纤全反射条件的光，从光纤壁上泄漏出来的结果。
我们也可在光纤的任何一段通过强烈弯曲光纤来观察到这种泄漏情况。
这是由于强烈的弯曲破坏了该处光纤的轴方向，使一部分光线的全反射条件被破坏，激光从光纤芯中泄漏出来进入了涂覆层中。
光纤的弯曲会改变光纤中光的传输模式、光强和偏振状态。
可以通过观察输出端的光斑来观察这些现象。
这也是光纤扰模的理论依据。
耦合效率η反应了进入光纤中的光的多少。
定义如下：%10001⨯=P P η （4） 其中P 1为进入光纤中的光功率，P 0为激光的输出功率。
η在理论上与光纤的几何尺寸，数值孔径等光纤参数有着直接的关系，在实际操作中它还与光纤端面的处理情况和调整情况有着更直接的关系。
在本实验中我们采用光功率计直接测出P 1和P 0来求出η。
η同操作者的操作情况有很大关系。
6.光纤中光速和光纤材料平均折射率的测量由于光在透光介质中的传播速度反比于介质的折射率1-=kn c n （5）因此可以断定光在光纤中的传播速度小于在空气中的传播速度c 0=3.0⨯108m/s 。
本实验通过测量一串光脉冲信号在一个特定长度光纤中的传播时间，来求出光在光纤中的传播速度，从而算出光纤的平均折射率。
在光纤的一端输入一连串稳定的光脉冲信号，并在光纤的输出端接收这些信号，由于光纤的长度L 引起一个脉冲信号的时间延迟T 0，若光在光纤中的速度为c n ，则0T L c n =（6） 再由c n / c 0= n 0/ n 求出光纤的平均折射率00n c c n n=（7） 7.光纤通信处理(6所示，从音频信号源（录音机）发出的信号，在示波器上观察是一串幅度、频率随声音变化的近似正弦波信号。
该信号经调制电路调制后加载在一个80KHz的方波上，对方波的脉冲宽度进行了调制，并以此调制信号驱动半导体激光器，使激光器发出一连串经声音调制的光脉冲。