半导体激光器P-I特性测试实验
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。
光源的P-I特性测试
光源的P-I特性测试一、实验目的1.了解半导体光源LED与半导体激光器LD的P-I特性。
2.掌握LD光源P-I特性曲线的测试方法。
二、实验内容1.绘制数字光发射机光源的P-I特性曲线。
三、实验仪器1.光纤通信实验系统1台。
2.示波器1台。
3.万用表1部。
4.FC/PC光纤跳线1根。
数字光发射机的指标包括：半导体光源的P-I特性曲线测试、消光比（EXT）测试和平均光功率的测试。
接下来的三个实验我们将对这三个方面进行详细的说明。
半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系如图13-1所示，该特性有一个转折点，相应的驱动电流称为门限电流(或称阈值电流)，用I th表示。
在门限电流以下，激光器工作于自发发射，输出荧光功率很小，通常小于100pW；在门限电流以上，激光器工作于受激发射，输出激光，功率随电流迅速上升，基本上成直线关系。
激光器的电流与电压的关系相似于正向二极管的特性。
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I th尽可能小，I th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，消光比大，而且不易产生光信号失真。
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，则会山现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。
半导体激光器具有高功率密度和极高量子效率的特点，微小的电流变化会导致光功率输出变化，是光纤通信中最重要的一种光源，激光二极管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，也即启动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I th，当输入电流小于I th时，其输出光为非相干的荧光，类似于LED发出光，当电流大于I th时，则输出光为激光，且输入电流和输出光功率成线性关系，该实验就是对该线性关系进行测量，以验证P-I的线性关系．I(mA)图13-1 LD半导体激光器P-I曲线示意图五、实验注意事项1.在实验过程中切勿将光纤端面对着人，切勿带电进行光纤的连接。
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
P(uW)
800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
从拟合图中找出阈值以上的直线部分，单独拟合如下图 2，利用拟合公式求得阈 值电流为 11.73mA；斜率效率为 0.10084W/A.
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半导体激光器
图 2
阈值以上的直线部分
10
误差产生的原因可能是读数时示数不稳定所带来的偏差，也有可能是测量光 功率时存在一些额外的损耗而没有很好的避免。 通过对表格 4、表格 5 的直观分析，可以看出：当电流一定时，随着温度的增 加，DFB 光谱的中心波长增加，功率谱密度减小；当温度一定时，随着电流 的增加，DFB 的中心波长增加，功率谱密度也增加。
功率谱密度/dBm -2.642 -0.963 0.381 1.168 1.925 2.621
中心波长 1546.139nm
功率谱密度 -0.154dBm
纵模间隔 1.374nm
-20dB 单模带宽 0.174nm
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半导体激光器
二、 实验结果分析
当温度为 20.1℃时，通过对 DFB 的 P-I 曲线拟合（图 1 图 2） ，得到的阈值 电流为 11.73mA， 当温度为 24.9℃时 （图 3 图 4） ， 得到的阈值电流为 12.15mA. 通过对 F-P 的 P-I 曲线拟合（图 5 图 6）,得到的阈值电流为 9.19mA,与理论 值的相对误差为 ε=| 9.19 10 | 100 % 8.1%
功率谱密度/dBm -2.642 -2.834 -2.936 -3.129 -3.283 -3.334
固定温度改变电流(t=20℃)
表格 5
光纤通信实验报告1-光源的P-I特性测试
在主控&信号源模块，选择光纤通信菜单，在其中选择选择第一个实验，光源的P-I特性测试。
2实验结果记录
测得参数填入表格如下：
P(uW)
413.7
387.0
309.6
239.8
172.5
97.84
13.62
u(V)
0.64
0.60
0.51
0.43
0.34
0.27
0.16
I(A)
0.019
LD半导体激光器P-I曲线示意图
半导体激光器具有高功率密度和极高量子效率的特点，微小的电流变化会导致光功率输出变化，是光纤通信中最重要的一种光源，激光二极管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，也即启动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。半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系如上图所示，该特性有一个转折点，相应的驱动电流称为门限电流（或称阈值电流），用Ith表示。在门限电流以下，激光器工作于自发辐射，输出（荧光）光功率很小，通常小于100pW；在门限电流以上，激光器工作于受激辐射，输出激光功率随电流迅速上升，基本上成直线关系。激光器的电流与电压的关系类似于正向二极管的特性。该实验就是对该线性关系进行测量，以验证P-I的线性关系。
0.018
0.0155
0.013
0.0103
0.0081
0.0049
P(uW)
7.576
1.318
1.040
0.700
0.5120
0.3750
0.1922
u(V)
0.15
0.14
0.13
0.12
0.11
0.09
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：
实验一半导体激光器pi特性曲线测量
实验四半导体激光器光谱测量与模式分析一、实验目的：1.了解半导体激光器的工作原理和相关特性；2.掌握半导体激光器模式参数的测量方法；二、实验原理：半导体激光器的模式分为空间模和纵模(轴模)。
空间模描述围绕输出光束轴线某处的光强分布，或者是空间几何位置上的光强(或光功率)的分布，也称远场分布；纵模则表示一种频谱，它反映所发射的光束其功率在不同频率(或波长)分量上的分布。
二者都可能是单模或者出现多个模式(多模)。
边发射半导体激光器具有非圆对称的波导结构，而且在垂直于异质结平面方向(称横向)和平行于结平面方向(称侧向)有不同的波导结构和光场限制情况。
横向上都是异质结构成的折射率波导，而在侧向目前多是折射率波导，但也可采取增益波导，因此半导体激光器的空间模式又有横模与侧模之分。
图1表示这两种空间模式。
图1 半导体激光器横模与侧模由于有源层厚度很薄(约为0.15μm)，都能保证在单横模工作；而在侧向，则其宽度相对较宽，因而视其宽度可能出现多侧模。
如果在这两个方向都能以单模(或称基模)工作，则为理想的TEM00模，此时出现光强峰值在光束中心且呈“单瓣”。
这种光束的光束发散角最小、亮度最高，能与光纤有效地耦合，也能通过简单的光学系统聚焦到较小的斑点，这对激光器的应用是非常有利的。
相反，若有源区宽度较宽，则发光面上的光场(称近场)在侧向表现出多光丝，好似一些并行的发光丝，在远场的侧向则有对应的光强分布，如图2所示。
这种多侧模的出现以及它的不稳定性，易使激光器的P-I特性曲线发生“扭折”(kink)，使P-I线性变坏，这对信号的模拟调制不利；同时多侧模也影响与光纤高效率的耦合，侧模的不稳定性也影响出纤功率的稳定性；不能将这种多侧模的激光束聚焦成小的光斑。
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。
实验1LDLED的P-I-V特性曲线测试
实验1 LD/LED的P-I-V特性曲线测试实验目的1、测试LD/LED的功率－电流（P-I）特性曲线和电压－电流（V-I）特性曲线，计算阈值电流（I）和外微分量子效率。
th）和光功率（P）的影响。
2、了解温度（T）对阈值电流（Ith实验内容1、测试在LD/LED的功率－电流（P-I）特性曲线和电压－电流（V-I）特性曲线。
2、测试LD温度特性。
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、温控器（可选） 1台5、光功率计 1台6、积分球（可选） 1个7、万用表 1台实验原理激光二极管LD和发光二极管LED是光通讯系统中使用的主要光源。
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，如图1-1所示：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。
T在结构上，由于LED与LD相比没有光学谐振腔。
因此，LD和LED的功率与电流的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线性直线。
从图1-2中可以看出LD的P-I曲线有一阈值电流Ith，只有在工作电流I f >I th 部分，P-I 曲线才近似一根直线。
而在I f <I th 部分，LD 输出的光功率几乎为零。
对于LD 可以根据其P-I 曲线可以求出LD 的外微分量子效率ηD 。
其具有如下关系： ()ηD ⋅⋅-=V I I P th f因此在曲线中，曲线的斜率表征的就是外微分量子效率。
由于光电子器件是由半导体材料制成，因此温度对其光电特性影响也很大。
随着温度的增加，LD 的阈值逐渐增大，光功率逐渐减小，外微分量子效率逐渐减小。
阈值与温度的近似关系可以表示为：]/)ex p[()()(0T T T T I T I r r th th -=式中，T r 为室温，)(r th T I 为室温下的阈值电流，T 0为特征温度。
试验二半导体激光器P―I特性曲线的绘制
实验二半导体激光器P―I特性曲线的绘制一、实验目的1、学习半导体激光器的发光原理。
2、了解半导体激光器输出光功率与注入电流的关系。
3、掌握半导体激光器P-I特性曲线的测试及绘制方法。
二、实验内容测量半导体激光器的输出光功率和注入电流，并画出P-I关系曲线。
三、实验原理半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系如图2-1所示，该特性有一个转折点，相应的驱动电流称为门限电流(或称阈值电流)，用I th表示。
在阈值电流以下，激光器工作于自发发射，输出荧光，光功率很小。
在门限电流以上，激光器工作于受激发射，输出激光，光功率随驱动电流迅速上升，基本成线性关系；激光器的电流与电压的关系类似于正向二极管的特性，如图2-2所示。
图2-1 激光器的功率特性图2-2 激光器的伏安特性阈值条件就是光谐振腔中维持光振荡的条件。
设受激发射所产生的光介质的平均增益系数(单位长度上的增益)为g，光介质的平均损耗系数为a，则光谐振腔产生和维持光振荡的条件为光子在光谐振腔中来回反射一次所产生的光能增益大于或等于光能的损耗，用公式表示为：(2-1)式中L 为光谐振腔的长度，r1、r2分别为光谐振腔两端镜面的反射系数(O<rl<1;O<r2<1)。
门限状态下的增益系数为th g 为：（2-2）式中J th 为门限状态下注入有源区的电流密度,β为平均增益因子，其值取决于激光器的材料与结构,从电流密度J th 按下式可决定门限电流I th 为：（2-3）式中b 为有源区宽度，ξ>1为电流侧向扩展因子,可使ξ接近1，故能获得小的门限电流。
激光器功率特性的线性程度对模拟光纤传输系统的非线性失真指标影响很大。
半导体激光二极管(LD)或简称半导体激光器与发光二极管LED 不同，它通过受激辐射发光，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，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。
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。
光纤通信 实验1 实验报告 光源的 P-I 特性测试实验
课程名称：光纤通信实验名称：实验1光源的P-I 特性测试实验姓名：班级：电17-3学号：实验时间：指导教师：得分：序号:42实验1光源的P-I 特性测试实验一、实验目的1、了解半导体激光器L D 的P-I 特性。
2、掌握光源P-I 特性曲线的测试方法。
二、实验器材1、主控&信号源模块2、2 号数字终端&时分多址模块3、25 号光收发模块4、23 号光功率计模块5、示波器三、实验内容光源的P-I 特性测试四、实验原理数字光发射机的指标包括：半导体光源的P-I 特性曲线测试、消光比（EXT）测试和平均光功率的测试。
接下来的三个实验我们将对这三个方面进行详细的说明。
I(mA)LD 半导体激光器P-I 曲线示意图半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系如图所示，该特性有一个转折点，相应的驱动电流称为门限电流(或称阈值电流)，用Ith 表示。
在门限电流以下，激光器工作于自发发射，输出荧光功率很小，通常小于100pW；在门限电流以上，激光器工作于受激发射，输出激光，功率随电流迅速上升，基本上成直线关系。
激光器的电流与电压的关系相似于正向二极管的特性。
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，消光比大，而且不易产生光信号失真。
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，则会山现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。
半导体激光器具有高功率密度和极高量子效率的特点，微小的电流变化会导致光功率输出变化，是光纤通信中最重要的一种光源，激光二极管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，也即启动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，当输入电流小于Ith 时，其输出光为非相干的荧光，类似于LED 发出光，当电流大于Ith 时，则输出光为激光，且输入电流和输出光功率成线性关系，该实验就是对该线性关系进行测量，以验证P-I 的线性关系。
光纤实验报告
IthTP703 TP161TP753实验室名称学生实验报告TP602(模拟信号1模数转换后波形) TP612(模拟信号2模数转换后波形)TP621(两路模拟信号经模数转换和时分复用后的波形)指导教师签名两汉：诸葛亮先帝创业未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此诚危急存亡之秋也。
然侍卫之臣不懈于内，忠志之士忘身于外者，盖追先帝之殊遇，欲报之于陛下也。
诚宜开张圣听，以光先帝遗德，恢弘志士之气，不宜妄自菲薄，引喻失义，以塞忠谏之路也。
宫中府中，俱为一体；陟罚臧否，不宜异同。
若有作奸犯科及为忠善者，宜付有司论其刑赏，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使内外异法也。
侍中、侍郎郭攸之、费祎、董允等，此皆良实，志虑忠纯，是以先帝简拔以遗陛下：愚以为宫中之事，事无大小，悉以咨之，然后施行，必能裨补阙漏，有所广益。
将军向宠，性行淑均，晓畅军事，试用于昔日，先帝称之曰“能”，是以众议举宠为督：愚以为营中之事，悉以咨之，必能使行阵和睦，优劣得所。
亲贤臣，远小人，此先汉所以兴隆也；亲小人，远贤臣，此后汉所以倾颓也。
先帝在时，每与臣论此事，未尝不叹息痛恨于桓、灵也。
侍中、尚书、长史、参军，此悉贞良死节之臣，愿陛下亲之、信之，则汉室之隆，可计日而待也。
臣本布衣，躬耕于南阳，苟全性命于乱世，不求闻达于诸侯。
先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顾臣于草庐之中，咨臣以当世之事，由是感激，遂许先帝以驱驰。
后值倾覆，受任于败军之际，奉命于危难之间，尔来二十有一年矣。
先帝知臣谨慎，故临崩寄臣以大事也。
受命以来，夙夜忧叹，恐托付不效，以伤先帝之明；故五月渡泸，深入不毛。
今南方已定，兵甲已足，当奖率三军，北定中原，庶竭驽钝，攘除奸凶，兴复汉室，还于旧都。
此臣所以报先帝而忠陛下之职分也。
至于斟酌损益，进尽忠言，则攸之、祎、允之任也。
愿陛下托臣以讨贼兴复之效，不效，则治臣之罪，以告先帝之灵。
若无兴德之言，则责攸之、祎、允等之慢，以彰其咎；陛下亦宜自谋，以咨诹善道，察纳雅言，深追先帝遗诏。
LED光源P-I特性测量实验
LD/LED光源P-I特性测量实验处理一.实验结果分析1.数据处理A. 自动光功率控制实验表1 自动光功率控制数据表根据表1画出曲线图：图1 自动光功率控制I-P曲线由上图1可知，在自动光功率控制测量实验中，当打开自动补偿控制的时候，注入电流I变化的时候输出功率P1几乎无变化，自动补偿控制关闭的时候电流I变化，输出功率P2也会发生剧烈的变化。
B.光发射机P-I特性实验表2 光发射机P-I特性数据表根据表2画出曲线图2：图2 光发射机P-I特性曲线图根据图2可知，半导体发射机的门限电流为I th=7mA，当注入电流I<7mA 时，电流变化时输出功率几乎无变化，一旦I>7mA时候，电流I与功率P成正比关系，并且迅速增长。
C.消光比测量实验消光比EXT＝−10lg P00P11=10lg317.1×10−3527.3=32.2 dBD.平均光功率测量P̅=284.8 uw2.实验现象分析A.在功率自动控制实验里面，自动控制主要是利用反馈机制，从而控制注入的电流保持基本稳定，这样对应的输出的功率也就基本不变了，当然也不是绝对不变，略有稍微的浮动；当自动控制OFF时，这样无法控制注入电流的变化，功率就会随着I的变化而发生剧烈变化。
B.光发射机I－P特性测量实验，主要是验证实验。
半导体激光器有一个门限电流I th，当注入电流I低于I th时功率就不会有大的变化，当注入电流I大于I th时功率就发生线性剧烈变化。
3.实验影响因素讨论本次实验是一个验证性实验，实验数据都是通过仪表直接读来，仪表精度影响实验误差，另外在读取光功率计的时候，须待读数稳定后再读取。
二.实验小结本次实验加深了对半导体激光器门限电流I th的理解，通过测量和画图，加深了对门限电流的理解。
另外，对自动光功率控制的作用有了了解，模电中的反馈机制在这个控制电路里有了直观的反映，掌握了一种控制稳定变量的方法。
对于本实验，操作正确，实验现象符合理论要求，测量数据画得的曲线图符合本质特性，总的来说，实验室正确的成功的。
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。
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。
光源的P-I特性测试
光源的P-I特性测试一、实验目的1.了解半导体光源LED与半导体激光器LD的P-I特性。
2.掌握LD光源P-I特性曲线的测试方法。
二、实验内容1.绘制数字光发射机光源的P-I特性曲线。
三、实验仪器1.光纤通信实验系统1台。
2.示波器1台。
3.万用表1部。
4.FC/PC光纤跳线1根。
数字光发射机的指标包括：半导体光源的P-I特性曲线测试、消光比（EXT）测试和平均光功率的测试。
接下来的三个实验我们将对这三个方面进行详细的说明。
半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系如图13-1所示，该特性有一个转折点，相应的驱动电流称为门限电流(或称阈值电流)，用I th表示。
在门限电流以下，激光器工作于自发发射，输出荧光功率很小，通常小于100pW；在门限电流以上，激光器工作于受激发射，输出激光，功率随电流迅速上升，基本上成直线关系。
激光器的电流与电压的关系相似于正向二极管的特性。
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I th尽可能小，I th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，消光比大，而且不易产生光信号失真。
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，则会山现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。
半导体激光器具有高功率密度和极高量子效率的特点，微小的电流变化会导致光功率输出变化，是光纤通信中最重要的一种光源，激光二极管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，也即启动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I th，当输入电流小于I th时，其输出光为非相干的荧光，类似于LED发出光，当电流大于I th时，则输出光为激光，且输入电流和输出光功率成线性关系，该实验就是对该线性关系进行测量，以验证P-I的线性关系．I(mA)图13-1 LD半导体激光器P-I曲线示意图五、实验注意事项1.在实验过程中切勿将光纤端面对着人，切勿带电进行光纤的连接。
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…
… 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，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。
…
…
…
… …
工作稳定性高，消光比大，而且不易产生光信号失真。并且要求 P-I 曲线的斜率
…
… …
适当。
…
… …
半导体激光器作为光纤通信中应用的主要光源，其性能指标直接影响到系统
…
… …
传输数据的质量，因此 P-I 特性曲线的测试了解激光器性能是非常重要的。半导
装
… …
体激光器驱动电流的确定是通过测量串联在电路中的 R110 上电压值。电路中的
…
… …
பைடு நூலகம்
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、ZYE43016 型光纤通信原理实验箱
1台
…
… …
2、光功率计
1台
订
… …
3、FC/PC—FC/PC 单模光跳线
1根
…
… 4、万用表
-52,93
…
m)
…
64 84 72 22 26 40 65 03 43 59 85
…
… U(m
装 …
16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
…
V)
…
…
… I(mA
12.0 13.3 14.6 16.0 17.3 18.6
… …
10.67
…
)
…
037037
…
… P(μW
…
…
订 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，找出半导体激光器闭值电流，计算半导体激光器斜率效
…
…
… 率。
…
…
… 五、实验步骤
…
…
… 1、将光发模块中的可调电阻 W101 逆时针旋转到底，是数字驱动电流达到最小
…
线
… 值。
…
…
… 稳定性高，消光比大，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
…
…
线 反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
6
…
… …
8、慢慢调节电位器 W101，时所测得电压为下表数值，依次测量对应的光功率值，
…
… 并将测量的数据填入下表。
…
…
… 9、做完试验后先关闭光发模块电源（K10）,然后依次关掉各直流开关（电源模
…
…
… 块），以及交流电开关。
…
…
订 10、拆下光跳线及光功率计，用防尘帽盖住试验箱半导体激光器光纤输出端口，
…
…
… 将试验箱还原。
…
…
… 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。
…
线
… …
U(m
…
… …
V)
1
2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14
…
… …
I(mA
…
0.67 1.33 2.00 2.67 3.33 4.00 4.67 5.33 6.00 6.67 8.00 9.33
3、根据 P—I 特性曲线，求出半导体激光器的斜率效率。 K=0.036W/A 七、注意事项
5
太原理工大学现代科技学院实验报告
… 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。
…
…
…
… 温度升高时，电流增大，外围分子量效率减小，输出光功率明显下降。
…
…
… 订
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。
…
…
… 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 I 尽可能小，
…
th
…
… 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
… …
八、 思考题
…
… …
1、试说明半导体激光器发光工作原理。
…
装 …
半导体激光器是向半导体 PN 结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐
…
… 射，利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光震荡。
…
…
… …
2.环境温度的改变对半导体激光器 P—I 特性有何影响？
…
…
激光器的阈值电流随温度升高而增大，外围分子量效率随温度升高而减小，
太原理工大学现代科技学院
光纤通信
课程 实验报告
专业班级 学号 姓名 指导教师
太原理工大学现代科技学院实验报告
…
实验名称
半导体激光器 P—I 特性测试实验
同组人
…
…
…
专业班级
学号
姓名
成绩
…
…
…
… …
实验一 半导体激光器 P—I 特性测试实验
…
… …
一、实验目的
…
… 装
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、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=IR）。
…
…
… 3、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。
…
…
… 4、旋开光发端机光纤输出端口（1310nmT）防尘帽，用 FC—FC 光纤跳线奖半
…
…
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
33.4 35.7 39.0 42.8 47.0 51.0
… …
30.07
…
)
…
335136
订
… P(dB
-14. -14. -14. -13. -13. -12.
… …
-15.21
…
m)
…
76 47 07 69 32 92
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
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 Ith =2mA
…
…
… 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。
…
…
…
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 I 尽可
…
th
能小，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，
2
太原理工大学现代科技学院实验报告
3
太原理工大学现代科技学院实验报告
…
…
…
… …
档。
…
… …
5、连接导线：将 T502 与 T101 连接。
…
… …
6、连接好试验箱电源，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），并打开光发送模块（K10）和数字信号源（K50）的直流电源。
装
… …
7、用万用表测量 R110 两端电压（红表笔插 T103,黑表笔插 T104）。
1台
…
…
… 5、连接导线
…
20 根
…
… 三、实验原理
…
…
…
半导体激光二极管通过受激辐射发光，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
线
…
… 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
… …
)
…
… …
P(μW 0.0004
11.4 13.6 15.7 17.7 21.9 25.9
…
1.36 3.27 5.36 7.51 9.42
)
99
742463
4
…
…
…