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.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。）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Pe＝)(2thDIIq（1-1）其中intintaaamirmirD，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IIth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DeqdIdP2（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。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发出的光，当电流大于Ith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＝IR110）。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)P(mW)Ith图1-1LD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。U(mV)123456789101214I(mA)P（uW）P（dBm）U(mV)161820222426283032343638I(mA)P（uW）P（dBm）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。