半导体激光器P-I特性测试实验-yy2.doc

贵州大学实验报告学院： 电气工程学院 专业： 电子信息工程 班级：电信091班姓名燕渊学号0908040243实验组实验时间2012-12-27指导教师彭建老师成绩实验项目名称半导体激光器P-I特性测试实验实验目的(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）曲线的测试方法实验要求根据本实验的特点、要求和具体条件，采用教师简单讲解，学生自己动手操作的形式。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。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。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3050，水平发散角为030），与单模光纤的耦合效率高（约3050），辐射光谱线窄（0.11.0nm），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。半导体激光器的特性，主要包括阈值电流Ith、输出功率P0、微分转换效率、峰值波长p、光束发散角、脉冲响应时间tr、tf等。除上述特性参数之外，有时也把半导体激光器的工作电压、工作温度等列入特性参数。阈值电流是非常重要的特性参数。图8-1上A段与B段的交点表示开始发射激光，它对应的电流就是阈值电流Ith。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。P-I特性是半导体激光器的最重要的特性。当注入电流增加时，输出光功率也随之增加，在达到Ith之前半导体激光器输出荧光，到达Ith之后输出激光，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比见式8-1。 （8-1）P/I就是图8-1激射时的斜率，是普朗克常数（6.625*10-34 焦耳秒），v为辐射跃迁情况下，释放出的光子的频率。图1-1 LD半导体激光器P-I曲线示意图 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。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。其典型参数如下表1-1：Parameter参数Symbol符号Min最小值Typ典型值Max.最大值Unit单Central Wavelength中心波长 128013101340nmSpectral Width RMS谱线宽度 25nmThreshold Current阈值电流815mAOptical output power输出功率0.20.4mWForward Voltage正向电压Vf1.21.6VRise Time/Fall Time上升/下降时间tr/tf0.30.5ns 表1-1 本实验半导体激光器的部分参数参考表本实验所涉及的实验框图如图8-2，R110（1）与激光器串联。 图1-2 激光器工作框图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。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（VIR110）。(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下表1-2，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。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PI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实验数据表1-2 LD的P-I特性测试表U(mV)12345678I(mA)0.951.92.863.814.765.716.677.62P(uW)0.031.4511.2120.2630.2340.3550.359.6U(mV)910121416182022I(mA)8.579.5211.4313.3315.2417.1519.0520.95P(uW)70.8980.45100.8121.1141.2161.7180.5201.2U(mV)2426283032343638I(mA)22.8624.7626.6728.5730.4832.3834.2936.19P(uW)219.1239.1260.6281.2301.9322.1341.1360.8由上图可知，阀值电流Ith =9.52mA半导体激光器的斜率K=P/I=0.01W/A实验总结通过本实验，学习了解半导体激光器发光原理和激光光源工作原理，掌握了半导体激光器P-I曲线的测试方法。1. 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特性的影响：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. 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是：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