半导体激光器P-I特性测试
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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. ZY12OFCom13BG 型光纤通信原理实验箱
1台 2. 光功率计 1台 3. FC/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int
int a a a mir mir D +=ηη,这里的量子效率η
int ,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 e
q
dI dP ηω2 = (1-2)
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(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。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,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 发出的光,当电流大于I th 时,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,以测试半导体激光器的P-I 线性关系。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。
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。
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
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
=IR 110)。
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(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。
5. 连接导线:将T502与T101连接。
6. 连接好实验箱电源,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),并打开光发模块(K10)和数字信号源(K50)的直流电源。
7. 用万用表测量R110两端电压(红表笔插T103,黑表笔插T104)。
8. 慢慢调节电位器W101,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。
9. 做完实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。
I(mA)
图1-1 LD 半导体激光器P-I 曲线示意图
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。
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?
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。