半导体激光器特性测量
光纤通信实验报告
XX学号时间地点实验题目半导体激光器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、D7、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表格中，精确到0.1uW。
9、做完实验后先关闭交流电开关。
10、拆下光跳线与光功率计，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。
五、实验报告结果1、根据测试结果，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。
2、根据所画的P-I特性曲线，找出半导体激光器阈值电流的大小。
半导体激光器特性测量实验报告
半导体激光器特性测量一、实验目的：1.通过本实验学习半导体激光器原理。
2.测量半导体激光器的几个主要特性。
3.掌握半导体激光器性能的测试方法。
二、实验仪器：半导体激光器装置、WGD-6型光学多道分析器、电脑等。
三、实验原理：WGD-6 型光学多道分析器，由光栅单色仪，CCD 接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D 采集单元，计算机组成。
该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。
光学系统采用C－T 型，如图M1 反射镜、M2 准光镜、M3 物镜、M4 转镜、G 平面衍射光栅、S1 入射狭缝、S2 光电倍增管接收、S3 CCD 接收。
入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0－2mm 连续可调，光源发出的光束进入入射狭缝S1、S1 位于反射式准光镜M2 的焦面上，通过S1 射入的光束经M2 反射成平行光束投向平面光栅G 上，衍射后的平行光束经物镜 M3 成像在S2 上。
四、实验内容及数据分析1.半导体激光器输出特性的测量：a)将各仪器按照要求连接好；b)打开直流稳压电源，打开光多用仪；c) 将激光器的偏置电流输入插头接于稳压电源的电流输出端；d) 将激光器与光多用仪的输入端相连并使探头正好对激光器输出端，打开光多用仪； e) 缓慢增加激光器输入电流（0mA~36mA ），注意电流不要超过ＬＤ的最大限定电流（实验中不超过38mA ）。
从功率计观察输出大小随电流变化的情况； f) 记录数据； g) 绘图绘成曲线。
实验数据及结果分析： I （mA ） 1.02.03.04.05.06.07.0 8.09.010.011.0 12.0 P (uW) 0.40 0.80 1.25 1.75 2.25 2.85 3.54.255.05 5.956.98.0I （mA ） 13.0 14.0 15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 21.0 22.0 23.0 24.0 P (uW) 9.310.7512.4514.5517.8522.941.0311.5753.51179.51594.51845.0根据以上实验数据绘制I —P 曲线:半导体激光器输出特性2004006008001000120014001600180020000510152025I(mA)P(uW)实验结果分析：通过半导体激光器的控制电源改变它的工作电流I ，测量对应的发光功率P ，以P 为纵轴，I 为横轴作图，描成曲线。
半导体激光器_实验报告
半导体激光器_实验报告【标题】半导体激光器实验报告【摘要】本实验主要通过实际操作和测量，研究半导体激光器的工作原理和性能特点。
通过改变电流和温度等参数，观察激光器的输出功率和波长、发散角度等特性的变化，并分析其与激光器内部结构和材料特性之间的关系。
【引言】半导体激光器具有体积小、功耗低、效率高等优点，在光通信、激光加工、医疗等领域有广泛应用。
了解半导体激光器的工作原理和特性对于深入理解其应用具有重要意义。
【实验内容】1. 实验器材与仪器准备：准备半导体激光器、电源、温度控制器、功率测量仪等实验设备。
2. 实验步骤：a. 连接电源和温度控制器，调节温度至设定值。
b. 调节电流，记录相应的激光器输出功率。
c. 测量激光器的输出波长和发散角度。
d. 分析激光器输出功率、波长和发散角度等特性随电流和温度变化的规律。
【实验结果】1. 实验数据记录：记录不同电流和温度下的激光器输出功率、波长和发散角度数据。
2. 实验结果分析：a. 输出功率与电流和温度的关系。
b. 输出波长与电流和温度的关系。
c. 发散角度与电流和温度的关系。
【讨论】根据实验结果，结合半导体激光器的内部结构和材料特性，讨论激光器输出功率、波长和发散角度等特性与电流和温度的关系。
分析激光器的工作原理和性能特点，并讨论其在实际应用中的优缺点。
【结论】通过实验，我们深入了解了半导体激光器的工作原理和性能特点。
通过调节电流和温度等参数，可以控制激光器的输出功率、波长和发散角度等特性。
半导体激光器具有体积小、功耗低、效率高等优点，但也存在一些限制，如温度敏感性较强。
最后，我们对半导体激光器的应用前景进行了展望。
半导体激光器测试方法
半导体激光器测试方法
半导体激光器是一种常见的光电器件，通过将电能转化为光能产生激光。
为了确保半导体激光器的性能和质量，需要进行各种测试。
以下是常见的半导体激光器测试方法：
1.激光器波长测试：使用光谱仪进行激光器波长的检测，以确保激光器的波长符合要求。
2.光功率测试：测量激光器的输出功率，以确保激光器的输出功率符合要求。
这可以使用功率计或功率传感器进行测量。
3.光电特性测试：通过测量激光器的光电流和光谱特性等参数，来确定激光器的光电特性。
4.稳定性测试：对激光器进行长时间的稳定性测试，以确保激光器的性能和可靠性。
5.阈值电流测试：测试激光器的阈值电流，以确定激光器的启动电流和电压。
6.温度测试：测试激光器在不同温度下的性能，以确定激光器在各种环境下的工作条件。
半导体激光器测试是半导体激光器制造过程中非常重要的一环，只有通过严格的测试可以确保激光器的性能和质量。
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实验一 半导体激光器P-I特性曲线测量
实验一半导体激光器P-I特性曲线测量一、实验目的：1.了解半导体光源和光电探测器的物理基础；2.了解发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)的发光原理和相关特性；3.了解PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)的工作原理和相关特性；4.掌握有源光电子器件特性参数的测量方法；二、实验原理：光纤通信中的有源光电子器件主要涉及光的发送和接收，发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)是最重要的光发送器件，PIN光电二极管和APD光电二极管则是最重要的光接收器件。
1．发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)：LED是一种直接注入电流的电致发光器件，其半导体晶体内部受激电子从高能级回复到低能级时发射出光子，属自发辐射跃迁。
LED为非相干光源，具有较宽的谱宽(30～60nm)和较大的发射角(≈100°)，常用于低速、短距离光波系统。
LD通过受激辐射发光，是一种阈值器件。
LD不仅能产生高功率(≥10mW)辐射，而且输出光发散角窄，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(>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。
使粒子数反转从而产生光增益是激光器稳定工作的必要条件，对于处于泵浦条件下的原子系统，当满足粒子数反转条件时将会产生占优势的(超过受激吸收)受激辐射。
在半导体激光器中，这个条件是通过向P型和N型限制层重掺杂使费密能级间隔在PN结正向偏置下超过带隙实现的。
当有源层载流子浓度超过一定值(称为透明值)，就实现了粒子数反转，由此在有源区产生了光增益，在半导体内传播的输入信号将得到放大。
如果将增益介质放入光学谐振腔中提供反馈，就可以得到稳定的激光输出。
(1) LED和LD的P-I特性与发光效率：图1是LED和LD的P-I特性曲线。
LED是自发辐射光，所以P-I曲线的线性范围较大。
光纤通信实验报告光源的PI特性测试
plot(x,y)
xlabel('I/mA');ylabel('P/uW');
title('实验得LD半导体激光器P-I特性曲线')
gridon;
对实验结果曲线图的阈值电流部分进行局部放大，如图所示：
实验结果及分析：
通过进行了光源的P-I特性测试实验，结合了书本上的知识，我对半导体激光器LD的P-I特性有了进一步的了解，同时也掌握了光源P-I特性曲线的测试方法。
（3）用同轴电缆线将25号光收发模块P4（光探测器输出）连至23号模块P1（光探测器输入）。
2、将25号光收发模块开关J1拨为“10”，即无APC控制状态。开关S3拨为“数字”，即数字光发送。
3、将25号光收发模块的电位器W4和W2顺时针旋至底，即设置光发射机的输出光功率为最大状态；
4、开电，设置主控模块菜单，选择主菜单【光纤通信】→【光源的P-I特性测试】功能。
在做实验的过程中，也因为是初次接触，还有些不习惯，从这第一个实验开始对实验箱的每个模块进行熟悉，中间在读数的时候，我们测得的数据波动的很厉害，不能稳定地读数，所以只能取中间值进行采集。
在实验的过程中，我们对多组数据进行了测量。我们首先由u=(V)测量至u=(V)，发现了P-I大致的规律，后又估计在u=(V)左右对应有阈值电流，故又在此范围附近多测量了几组，使最终结果更精确。最后根据我们的数据绘出了实验测得的LD光源P-I特性曲线，曲线与理想情况还有些偏差，我认为造成误差的原因，主要可能有实验温度的影响和测量过程中读数与记录的误差等，但在误差允许的范围内，实验结果与理论基本吻合。可以从曲线上看出，阈值电流在左右，阈值功率在左右。
实验步骤：
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。
实验5-1 半导体激光器的特性测试实验
光信息专业实验指导材料（试用）实验5－1 半导体激光器的特性测试[实验目的]1、通过测量半导体激光器工作时的功率、电压、电流，画出P-V、P-I、I-V曲线，让学生了解半导体的工作特性曲线；2、学会通过曲线计算半导体激光器的阈值，以及功率效率，外量子效率和外微分效率，并对三者进行比较；3、内置四套方波信号或者外加信号直接调制激光器，通过调整不同的静态工作点，和输入信号强度大小不同，观察到截至区，线性区，限流区的信号不同响应（信号畸变，线性无畸变），了解调制工作原理。
[实验仪器]实验室提供：半导体激光器实验箱（内置三个半导体激光器），示波器，两根电缆线。
[实验原理]半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，产生激光的具体过程比较特殊。
常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。
激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。
半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。
同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。
半导体激光器具有体积小、效率高等优点，广泛应用于激光通信、印刷制版、光信息处理等方面。
一、半导体激光器的结构与工作原理1.半导体激光器的工作原理。
半导体材料多是晶体结构。
当大量原子规则而紧密地结合成晶体时，晶体中那些价电子都处在晶体能带上。
价电子所处的能带称价带（对应较低能量）。
与价带对应的高能带称导带，价带与导带之间的空域称为禁带。
当加外电场时，价带中电子跃迁到导带中去，在导带中可以自由运动而起导电作用。
同时，价带中失掉一个电子，相当于出现一个带正电的空穴，这种空穴在外电场的作用下，也能起导电作用。
因此，价带中空穴和导带中的电子都有导电作用，统称为载流子。
没有杂质的纯净半导体，称为本征半导体。
如果在本征半导体中掺入杂质原子，则在导带之下和价带之上形成了杂质能级，分别称为施主能级和受主能级。
半导体激光器-发散角
2）焦距为f的薄透镜的透射矩阵为：
T
பைடு நூலகம்
1 1/
f
10
rff
1 0
f 1
1 1/
f
10
1 0
g 1
r00
r0 f
f0
(1
g f
)0
由于半导体激光器快轴方向发散角非常大，不能用上述方法测量，用单点 扫描法。
快轴是单横模输出，其光强基本上按正弦（余弦）函数形式分布。
实验内容与步骤
1.半导体激光器的发散角测定
近场分布是指LD发光面上的辐射强度分布，即反映P-N结上光强的分布； 远场分布则是指远离激光器无穷远处的辐射强度分布（光强与角度的分布）。
远场分布是近场分布的Fourier变换。 半导体激光器的模式分为空间模和纵模（轴模）。
半导体激光器的空间模和纵模（轴模）
空间模描述围绕输出光束轴线某处光强分布，
1）半导体激光器置于旋转台中心，去掉准 直透镜，使半导体激光器的光发散，并平 行与旋转台面。 2）确定快、慢轴 3）光功率指示仪探头与半导体激光器LD 的距离为L，当旋转台处于不同角度时，记 下光功率指示仪所测到的输出值
图 2 测定半导体激光的发散角
4）在不同的注入半导体激光器电流时，其输出值随角度变化的 曲线。
数据记录
序号 1 ...
电流I
40o
30o
30o
40o
实验内容与步骤
2.2. 半导体激光器的偏振度测量
1）旋转偏振片，读出偏振片处于不同角度 2）记录对应的半导体激光器输出值 3）将实验值列表，并计算出其偏振度。
图 3 测量半导体激光器的偏振度
注意事项
1、用光功率获取输出功率时，每选择一个量程都需要重新调零。 2、半导体激光器输出或反射光应避免直接照射人眼。
LED和LD的光源特性测试实验
LD/LED光源特性测试实验1. 实验目的通过测量LED发光二极管和LD半导体激光器的输出功率－电流（P-I）特性曲线和P-I特性随器件温度的变化，理解LED发光二极管和LD半导体激光器在工作原理及工作特性上的差异。
2. 实验原理2.1 LD工作原理从激光物理学中我们知道，半导体激光器的粒子数反转分布是指载流子的反转分布。
正常条件下，电子总是从低能态的价带填充起，填满价带后才能填充到高能态的导带；而空穴则相反。
如果我们用电注入等方法，使p-n结附近区域形成大量的非平衡载流子，即在小于复合寿命的时间内，电子在导带，空穴在价带分别达到平衡，如图1所示，那么在此注入区内，这些简并化分布的导带电子和价带空穴就处于相对反转分布，称之为载流子反转分布。
注入区称为载流子分布反转区或作用区。
结型半导体激光器通常用与p-n结平面相垂直的一对相互平行的自然解理面构成平面腔。
在结型半导体激光器的作用区内，开始时导带中的电子自发地跃迁到价带和空穴复合，产生相位、方向并不相同的光子。
大部分光子一旦产生便穿出p-n结区，但也有一部分光子在p-n结区平面内穿行，并行进相当长的距离，因而它们能激发产生出许多同样的光子。
这些光子在平行的镜面间不断地来回反射，每反射一次便得到进一步的放大。
这样重复和发展，就使得受激辐射趋于占压倒的优势，即在垂直于反射面的方向上形成激光输出。
图1半导体激光器的能带图2.2 LED 工作原理发光二极管是大多由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs （砷化镓）、GaP （磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN 结。
因此它具有一般P-N 结的I-N 特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。
此外，在一定条件下，它还具有发光特性。
在正向电压下，电子由N 区注入P 区，空穴由P 区注入N 区。
进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图2所示。
由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN 结面数μm 以内产生。
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。
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。
半导体激光器常用参数的测定
半导体激光器常用参数的测定半导体激光器是一种利用半导体材料作为激光发射媒介的激光器件，其具有体积小、功耗低、效率高、寿命长等优点，因而广泛应用于通信、显示、医疗、测量等领域。
要对半导体激光器进行准确的性能评估和优化设计，需要对其常见参数进行测定和分析。
以下是常用参数的测定方法。
1.阈值电流阈值电流是指激光器开始工作并产生激射的电流值。
常用方法是在不同电流下，通过测量输出光功率与电流之间的关系曲线，找到电流达到稳定值时的临界点。
2.工作电流范围工作电流范围是指激光器可以稳定工作的电流范围。
方法是在不同电流下，测量激光器的输出光功率和电流之间的关系曲线，确定允许的工作电流范围。
3.工作温度范围工作温度范围是指激光器可以稳定工作的温度范围。
方法是在不同温度下，测量激光器的输出光功率与温度之间的关系曲线，确定允许的工作温度范围。
4.光谱特性光谱特性包括波长、谱线宽度等参数。
波长可以通过光谱仪精确测量，谱线宽度可以通过测量激光器输出光功率随波长的变化规律来评估。
5.输出功率输出功率是指激光器的实际输出功率。
测量方法是将激光器的输出光功率直接测量或者通过标定其他光源进行对比测量。
6.效率效率是指激光器将输入电功率转换为输出光功率的比值。
测量方法是通过测量激光器的输入电功率和输出光功率来计算效率。
7.时域特性时域特性包括上升时间、下降时间等参数，用来评估激光器的调制响应能力。
常见方法是通过测量激光器的脉冲响应曲线来获取。
8.光束质量光束质量是指激光器输出光束的直径、发散角等参数,可以通过光学系统和束探在对应测距仪等获取。
9.寿命寿命是指激光器长时间稳定工作的能力，可以通过对激光器在一定时间内的功率衰减进行监测和检测来评估。
总之，半导体激光器的性能评估和优化设计需要测定一系列的参数，如阈值电流、工作电流范围、工作温度范围、光谱特性、输出功率、效率、时域特性、光束质量和寿命等。
通过准确测量和分析这些参数，可以评估激光器的性能，并为激光器的应用提供参考和指导。
半导体激光器特性测量YLSTU
半导体激光器特性测量指导老师：余云鹏实验者：刘毅合作者：谭广权班级：08物理1.实验目的1）通过实验熟悉半导体激光器的光学特性；2）掌握半导体激光器耦合，准直等光路的调节；3）根据半导体激光器的光学特性考察其在光电子技术方面的应用。
2.实验及仪器半导体激光器及可调电源，WGD-6光学躲到分析器，可旋转偏振片（最小刻度为1°），旋转台（0—360°最小刻度值1°），多功能光学升降仪，光功率指示仪3.实验原理3.1半导体激光器的基本结构半导体激光器大多数用的是GaAs或Gal-xAlxAs材料，p-n结激光器的基本结构如图1所示，p-n结通常在n型衬底上生长p型层而形成。
在p区和n区都要制作欧姆接触，使激励电流能够通过，这电流使结区附近的有源去内产生粒子数反转，还需要制成两个平行的端面其镜面作用，为形成激光模提供必须的光反馈。
图1中的器件是分立的激光器结构，它可以与光纤传输连成线，如果设计成更完整的多层结构，可以提供更复杂的光反馈，更适合单片集成光电路。
3.2半导体激光器的阈值条件当半导体激光器加正向偏置并导通时，器件不会立即呈现激光振荡。
小电流时发射光大都来自自发辐射，光谱线宽在数百A数量级。
随着激励电流的增大，结区大量粒子数反转，发射更多的光子。
当电流超过阈值时，会出现从非受激光射到受激发射的突变，实际上只能观察到超过阈值电流时激光的突然发生，只要观察在光功率对激励电流曲线上斜率的急速突变，如图2所示，这是由于激光作用过程的本身具有较高量子效率的缘故。
从定量分析，激光的阈值对应于：由受激光射所增加的激光模光子数（每秒）正好等于有散射，吸收激光器的发射所损耗的光子数（每秒）。
据此可将阈值电流作为各种材料和结构参数的函数导出一个表达式：式中，η是内量子效率，λ是发射光的真空波长，n是折射率，△γ是自发辐射线宽，e是电子电荷，D是光发射层的厚度，α是行波的损耗系数，L是腔长，R为功率发射系数。
激光器的特性及其参数测量
平均值
五、实验内容
光栅
激光器
功率计探头
功率计
1. 按上图调整好光路， 预燃激光器20～30分钟，待激光输 出功率基本稳定后开始测量
2. 每隔0.5 mA 测量一次功率， 画出P（功率）-I （电流） 曲线，电压-电流曲线。
3. 每隔一段时间测量一次功率，求出在总测量时间内的功 率稳定度。（步长30秒，测20组数据，注意选择功率计 的最佳量程）
二、实验目的与要求
1. 正确使用激光器、激光能量计（功率计） 2. 掌握激光的常见特性及其参数的测量原理
三、实验仪器
He-Ne 激光器、半导体激光器、 激光功率计、 光电探测器、光具座、 透镜 、 偏振镜、光阑、 读 数显微信镜、光栅
四、实验原理
（一）输出功率的特点及其测量——光电法 利用激光的入射功率与光电探测器的输出电流成正比
（也可以采用光热法或光压法），在总压强 和 He-Ne 配比 一定的情况下，激光器的输出功率和放电电流存在特定的关
系。 对应输出功率极大值的放电 电流称为最佳放电电流。
由于受到放电电流、工作频率、谐振腔耗损、以及温度 等因素的影响，He-Ne 激光器的输出功率会随时间变动。
定义功率稳定度ห้องสมุดไป่ตู้ 最大值
最小值
实验二 激光器的特性及其参数测量
一、背景知识介绍
激光作为一种新型光源，具有方向性强、单色 性好、高亮度等突出特点。1960年第一台红宝石激 光器诞生，激光器的工作物质可以是气体、液体、 固体。激光应用的领域有非线性光学，傅立叶光学、 全息技术等，在计量科学、通讯、化学、生物、材 料加工、军事、医学、农业等方面都有应用。
光纤通信实验报告1光源的PI特性测试
xlabel('I/mA');ylabel('P/uW');
title('实验得LD半导体激光器P-I特性曲线')
gridon;
对实验结果曲线图的阈值电流部分进行局部放大,如图所示:
实验结果及分析:
通过进行了光源的P-I特性测试实验,结合了书本上的知识,我对半导体激光器LD的P-I特性有了进一步的了解,同时也掌握了光源P-I特性曲线的测试方法。
实验步骤:
1、关闭系统电源,按如下说明进行连线:
(1)用连接线将2号模块TH7(DoutD)连至25号光收发模块的TH2(数字输入),并把2号模块的拨码开关S4设置为“ON”,使输入信号为全1电平。
(2)用光纤跳线连接25号光收发模块的光发输出端与光收接入端,并将光收发模块的功能选择开关S1打到“光功率计”。
P-I特性就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,没有扭折点,P-I曲线的斜率适当的半导体激光器:Ith小,对应P值就小,这样的激光器工作电流小,工作稳定性高,消光比大;没有扭折点,不易产生光信号失真;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。
(3)用同轴电缆线将25号光收发模块P4(光探测器输出)连至23号模块P1(光探测器输入)。
2、将25号光收发模块开关J1拨为“10”,即无APC控制状态。开关S3拨为“数字”,即数字光发送。
3、将25号光收发模块的电位器W4与W2顺时针旋至底,即设置光发射机的输出光功率为最大状态;
4、开电,设置主控模块菜单,选择主菜单【光纤通信】→【光源的P-I特性测试】功能。
2、23号模块(光功率计)一块
实验一半导体激光器P-I特性曲线测量(常用版)
Δν=c/2ngL (7)
式中，λ为激射波长；c为光速；ng为有源材料的群折射率。
一般的半导体激光器其纵模间隔为0.5～1nm，而激光介质的增益谱宽为数十纳米，因而有可能出现多纵模振荡。然而传输速率高(如大于622Mb／s)的光纤通信系统，要求半导体激光器是单纵模的。这一方面是为了避免由于光功率在各个纵模之间随机分配所产生的所谓模分配噪声；另一方面纵模的减少也是得到很窄的光谱线宽所必须的，而窄的线宽有利于减少在高数据传输速率光纤通信系统中光纤色散的影响。即使有些激光器连续工作时是单纵模的，但在高速调制下由于载流子的瞬态效应，而使主模两旁的边模达到阈值增益而出现多纵模振荡，因此必须考虑纵模的控制。为了得到单纵模，应弄清纵模的模谱，影响单纵模存在的因素，才能设法得到所要求的单纵模激光器。
图2 有多侧模的半导体激光器的近场和远场
由于半导体激光器发光区几何尺寸的不对称，其远场呈椭圆状，其长、短轴分别对应于横向与侧向。在许多应用中需用光学系统对这种非圆对称的远场光斑进行圆化处理。
如果半导体激光器发射的是理想的高斯光束，应有如下的光强分布:
I(r)=Imaxexp(-2(r/w)2) （1）
(4)在直接调制下张弛振荡频率降低。
一般来说，半导体激光器有比气体和固体激光器高约5个数量级的自发发射因子(10-4)。由图8看出，纵模谱随γ变化很大。当γ＝10-5时，几乎所有的激光功率集中在一个纵模内，即单纵模工作；当γ＝10-4时，只有约80％的光功率集中在主模上，而其余的由旁模所分配；当γ＝10-3时，则有更多的纵模参与功率分配。另一方面，若自发发射因子γ→1(如在微腔情况)，则出现量变到质变的情况，此时每一个自发发射光子引发出一个受激发射光子，却能得到很好的单纵模。
半导体激光器光谱特性测量
光谱特性的测试方法 1一、实验目的：1、学习AQ6319光谱分析仪（optical spectrum analyzer）的使用。
2、熟悉激光器光谱特性的有关概念，并用相应的方法进行测量。
二、实验仪器说明：1、AQ6319光谱分析仪的示意图：2、几个常用按钮的使用说明：（1）SPAN键：可以观测扫描波长范围（SPAN WL）、扫描的起始波长（START WL）、扫描的结束波长（STOP WL）以及扫描的平均时间等参数；比如：SPAN WL 10.0nm；START WL 1313.708nm；STOP WL 1323.708nm；SWEEP TIME 2 sec;（2）LEVEL键：点击后屏幕右侧会出现多个选项○1REF LEVEL：通过数值键输入可以改变纵坐标显示的最大值；○2LOG SCALE-10.0dB/D：纵坐标以dBm显示；○3LIN SCALE-mw：纵坐标以mw显示；○4PEAK-REF LEVEL：以光源的功率最大值作为纵坐标的最大值；○5AUTO REF LEVEL OFF/ON：光谱分析仪内置有光衰减器，当输入光功率超过仪器的允许范围时，应开启内置衰减器，OFF表示未开启，ON表示开启。
（3）ZOOM键：点击后屏幕右侧会出现多个选项○1ZOOM CENTER WL：表示屏幕横轴显示的波长中心值○2ZOOM SPAN WL：表示屏幕横轴显示的波长扫描范围；○3ZOOM START WL：表示屏幕横轴显示的波长初始值；○4ZOOM STOP WL：表示屏幕横轴显示的波长结束值；（4）SWEEP键：点击后屏幕右侧出现开机时的多个默认选项○1AUTO：自动扫描光谱○2STOP：让不停扫描的光谱停止下来；○3REPEAT键：重复扫描被测光源；（5）PEAK SEARCH键：点击屏幕右侧的PEAK SEARCH键和BOTTOM SEARCH键，可以分别观测到光谱功率的最大值和最小值；（6）ANALYSIS键：点击后屏幕右侧会出现多个选项○1SPEC WIDTH THRESH：有THRESH、ENVELOPE、RMS、PEAK RMS、NOTCH多个键，选择THRESH即可；○2ANALYSIS1 ***：最开始显示的值是上次结束时选择的值；它有DFB-LD、FP-LD、LED、SMSR（最小边模抑制比）、POWER多个键，根据不同的需要进行选择；○3SPEC WIDTH THRESH：通过数值键可以设置你想要的dB，比如当需要测量中心波长时，就需要设置成3dB；○4ANALYSIS EXECUTE THRESH：点击使你重新设置的值生效；○5PARAMETER SETTING：其中有THRESH LEVEL、K、MODE FIT等值需要设定三、光谱特性的具体测量步骤：1、测试准备：（1）打开光源和光谱分析仪；（2）测试之前，应先检测一下光源的光功率，确保输入光功率不超过光谱分析仪的输入允许范围，否则会损坏光谱分析仪的光口；（3）将被测光源的输出端用跳线连接到OPTICAL INPUT；（4）按AUTO键；（5）按STOP键；（6）按SPAN键，观测扫描波长范围（SPAN WL）、扫描的起始波长（START WL）、扫描的结束波长（STOP WL）以及扫描的平均时间。
半导体激光器P-I特性测试
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、实验仪器1. Z Y12OFCom13BG 型光纤通信原理实验箱 1台2. 光功率计 1台3. F C/PC-FC/PC 单模光跳线1根 4. 万用表1台 5. 连接导线20根三、 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，（处于高能级E 2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E 1，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。
）是一种阈值器件。
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。
对于线性度良好的半导体激光器，其输出功率可以表示为P e ＝)(2th D I I q-ηω （1-1）其中intint a a a mir mir D +=ηη，这里的量子效率ηint ，表征注入电子通过受激辐射转化为光子的比例。
在高于阈值区域，大多数半导体激光器的ηint 接近于1。
1-1式表明，激光输出功率决定于内量子效率和光腔损耗，并随着电流而增大，当注入电流I>I th 时，输出功率与I 成线性关系。
其增大的速率即P-I 曲线的斜率，称为斜率效率D eqdI dP ηω2 = （1-2） P-I 特性是选择半导体激光器的重要依据。
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半导体激光器特性测量实验摘要：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。
关键字：半导体激光器偏振度阈值光谱特性一、引言半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的激光器，常用工作物质有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。
激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。
半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。
半导体激光器发射激光必须具备三个基本条件：（1）产生足够的粒子数反转分布；（2）合适的谐振腔起反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；（3）满足阀值条件，使光子的增益≥损耗。
半导体激光器工作原理是用某种激励方式，将介质的某一对能级间形成粒子数反转分布，在自发辐射和受激辐射的作用下，将有某一频率的光波产生（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），在腔内传播，并被增益介质逐渐增强、放大，输出激光。
二、实验仪器半导体激光器装置、WGD-6型光学多道分析器、电脑、光功率指示仪等。
三、实验原理3.1半导体激光器的基本结构半导体激光器大多数用的是GaAs或Gal-xAlxAs材料，p-n结激光器的基本结构如图1所示，p-n结通常在n型衬底上生长p型层而形成。
在p区和n区都要制作欧姆接触，使激励电流能够通过，这电流使结区附近的有源区内产生粒子数反转，还需要制成两个平行的端面其镜面作用，为形成激光模提供必须的光反馈。
图1中的器件是分立的激光器结构，它可以与光纤传输连成线，如果设计成更完整的多层结构，可以提供更复杂的光反馈，更适合单片集成光电路。
3.2半导体激光器的阈值条件当半导体激光器加正向偏置并导通时，器件不会立即呈现激光振荡。
小电流时发射光大都是自发辐射，光谱线宽在数百埃米数量级。
随着激励电流的增大，结区大量粒子数反转，发射更多的光子。
当电流超过阈值时，会出现从非受激光射到受激发射的突变，实际上只能观察到超过阈值电流时激光的突然发生，只要观察在光功率对激励电流曲线上斜率的急速突变，如图2所示，这是由于激光作用过程的本身具有较高量子效率的缘故。
从定量分析，激光的阈值对应于：由受激光射所增加的激光模光子数（每秒）正好等于有散射、吸收激光器的发射所损耗的光子数（每秒）。
据此可将阈值电流作为各种材料和结构参数的函数导出一个表达式：式中，η是内量子效率，λ是发射光的真空波长，n是折射率，△γ是自发辐射线宽，e是电子电荷，D是光发射层的厚度，α是行波的损耗系数，L是腔长，R为功率发射系数。
3.3横膜和偏振态半导体激光器的共振腔具有介质波导的结构，所以在共振腔中传播光以模的形式存在，每个模都由固有的传播常数β和横向电场分布，这些模就构成了半导体激光器中的横膜。
横膜经端面出射后形成辐射场。
辐射场的角度分布沿平行于结面方向和垂直于结面方向分别成为侧横场和正横场。
辐射场的角度分布和共振腔的几何尺寸密切相关，共振腔横向尺寸越小，辐射场发射角越大。
由于共振腔平行于结平面方向的宽度大于垂直于结平面方向的厚度。
所以侧横场小于正横场发射角，如图3所示；侧横场发射角可近似表示为：θ≈λ/d。
所以正横场发射角较大，一般为30~40度。
辐射场的发射角还和共振腔长度成反比，而半导体激光器共振腔一般只有几百微米，所以其远场发射角远远大于气体激光器和晶体激光器的远场发射角。
半导体激光器共振腔一般是晶体的解理面，对常用的GaAs异质结激光器，GaAs 晶面对TE模的反射率大于对TM模的反射率。
因而TE模需要的阈值增益低，TE模首先产生受激光发射，反过来又抑制了TM模；另一方面形成半导体激光器共振腔的波导层一般都很薄，这一层越薄对偏振方向垂直与波导层的TM模吸收越大。
这就使得TM模增益很大，更容易产生受激发射。
因此半导体激光器输出的激光偏振度很高。
3.4纵模特性激光二极管端面部分发射的光反馈导致建立单个或多个纵光学模。
由于它类似与法布里――珞罗干涉仪的平行镜面，激光器的端面也常称为法布里――珞罗面。
当平行面之间为半波长的整数倍时，在激光器内形成驻波。
模数m可由波长的数值得出。
半导体激光器典型的光谱如图4所示；通常同时存在几个纵模，其波长接近自发辐射峰值波长。
GaAS激光器的纵模间隔的典型值为dλ≈3A。
为了实现单模工作，必须改进激光器的结构，抑制主模以外的所有其他模。
四、实验步骤1.半导体激光器的输出特性（1）开启激光功率计，将量程置于20mW档（量程选择开关置于弹出状态），预热。
（2）开启激光电源的开关，然后开启激光电源上的电流开关（即“LD短路”开关,此开关位于激光电源的后面）,通过电流调节旋钮来控制输出电流的大小，使半导体激光器输出激光。
注意：半导体激光器的p-n结非常薄，极易被击穿，所以在开、关半导体激光器的电源时，一定要防止浪涌电流的产生，否则将有可能损坏半导体激光器。
开启时，先开电源开关，再开电流开关。
关闭时，先将电流调节旋钮逆时针旋转到底，使输出电流最小（最小输出电流大于0mA，切勿用力调节旋钮），再关电流开关，最后关闭电源开关。
（3）调节激光器前面的准直透镜，使激光束经过准直后在工作范围内光斑的大小、形状变化不大。
然后调节激光器支架上的仰俯螺钉，使激光束平行于光学平台的台面。
（4）调节激光功率计的零点，将激光束垂直照射在功率计探测器光敏面的中心位置附近。
缓慢增加激光器输入电流（0mA~90mA）。
从功率计观察输出大小随电流变化的情况；（5）记录数据。
以电流值为横坐标、光功率值为纵坐标，在坐标纸上绘制出P—I关系曲线，并求出阈值电流。
实验光路如图1。
图1半导体激光器的输出特性测试光路2.半导体激光器的偏振度测量测量半导体激光器的偏振度的装置如图2所示，偏振器是带有角度读数的旋转偏振片，读出偏振片处于不同角度时，对应的半导体激光器的输出值，将实验值列表，并计算出其偏振度。
图2测量半导体激光器的偏振度3.半导体激光器的光谱特性测试图3所示的是测量半导体激光器的光谱特性的光路装置。
半导体激光器LD(650nm,＜5mW的光信号通过透镜L(f=15,φ=14)耦合进WGD-6光学多道分析器的输入狭缝，让光学多道分析器与计算机相连，从光栅单色仪输出的光信号通过CCD接收放大输出到计算机，通过控制软件的设置绘出半导体激光器的谱线。
图3半导体激光器的光谱特性光路装置五、实验数据处理及分析1.半导体激光器输出特性的测量：（1）、第一次测量：I （mA ）2456810121520P (uW)0.0300.2310.4470.668 1.103 1.614 2.34 3.50 5.51I （mA ）253035404548505253P (uW)7.9611.0114.6019.1128.538.048.261.085.0I （mA ）5560657075808590P (uW)121.837671611421546194223902700其绘制曲线图如下所示：2040608010050010001500200025003000P (u W )I (mA)功率半导体激光器电流-功率输出特性曲线2（2）、第二次测量I （mA ）24681012152025P (uW)0.0470.2570.654 1.069 1.648 2.49 3.67 5.568.16I （mA ）303540454850525355P (uW)10.9714.5119.8929.339.046.862.085.0124.9I （mA ）60657075808590P (uW)37671611411544194323.827.1其绘制曲线图如下所示：2040608010050010001500200025003000P (u W )I (mA)功率半导体激光器电流-功率输出特性曲线1分析：由图可知，该激光器的阈值大概在55mA 左右。
当激光器的正向偏置有注入电流时就有光输出，一开始输出光效率很低（即曲线的斜率很小），这一阶段是自发辐射发光阶段。
注入电流增加到阈值I th 后，发光效率开始增加，P -I 曲线开始向上弯曲成直线，表明受激辐射发光开始起作用并逐渐加大比重，载流子复合转化为受激光辐射，即粒子数反转达到光子的增益=损耗时，光子才能获得净增益并在腔内振荡激射。
此后，光输出功率随电流线性上升。
2.半导体激光器输出激光偏振度的测量：电流I/mA 光功率最大值（uW ）光功率最小值（uW ）偏振度45 1.240.610.34054054150 1.700.690.42259414255 4.80 1.200.60000000065125.619.40.73241379380296470.725947522分析：光是电磁波，具有横向和纵向分量，经过不同角度的偏振器时，其合成量就会有所改变，其光功率就会有所不同。
当输入电流小于55mA 时，其偏振度小于0.60，这是由于其电流未达到阈值电流，故不作参考；当I>55mA 时，偏振度均达到0.60以上，证明激光器偏振度很好，符合激光器单模的特性。
3.光谱特性半导体激光器的光谱特性曲线分析：当输入电流未达到阈值电流时，其光谱图的形状大致相同，成类高斯分布。
输入电流越大，峰值越大，半高宽越小。
这是由于输入电流未达到阈值电流时，光产生以自发辐射为主导，光谱能量分散，导致输出光的谱线范围较宽。
当输入电流达到阈值电流后，出射光强度和单色性发生突变，光功率值迅速增大，半高宽变小，其光谱图成类脉冲函数图像。
因为输入电流达到阈值电流后，半导体激光器的光产生由自发辐射为主导转变为受激辐射主导。
此时输出光能量高，单色性好，偏振度高。
在驱动电流为55mA、65mA、80mA时，当驱动电流逐渐增大时，光谱特性曲线的中心波长位置逐渐右移，中心波长依次增大（即红移现象），光谱波峰随着驱动电流的增大而增大。
中心波长在650nm附近。
可理解：随着驱动电流的增加，激光器有源区的粒子数反转增强，具有高Q值的模的功率增加，这些模的频率接近于增益谱特性的峰值附近，因而对应光谱的峰宽度减小。
Q值上升，光功率集中到几个占优势的波模。
当激发较强时，激光器工作于多模振荡模式，表现为空间上产生多纵模振荡。
当频率为的纵模在腔内形成稳定驻波，在波腹光强最大，但增益系数（反转集居数）最小；在波节光强最小，但增益系数（反转集居数）最大，这一现象即空间烧孔效应。
当另外一个模式振荡与增益相拟合，则会出现较弱的振荡，多个纵模的空间竞争中，随驱动电流的变化，有利的模式被激励，则形成新的驻波，辐射功率集中到新的模式中，形成跳模现象。