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。

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。

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η、峰值波长λp、光束发散角、脉冲响应时间t r、t f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。

()()d P I e Phv e hv Iη∆∆∆==⋅∆ （8-1） ΔP /ΔI 就是图8-1激射时的斜率，h 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8-1 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 单位 Central Wavelength 中心波长λ1280 1310 1340 nm Spectral Width RMS 谱线宽度λ∆2 5 nm Threshold Current 阈值电流th I8 15 mA Optical output power 输出功率 0P0.2 0.4 mW Forward Voltage 正向电压Vf 1.2 1.6 VRise Time/Fall Timetr/tf 0.3 0.5 ns 上升/下降时间………………………………本实验所涉及的实验框图如图8-2，R110（1Ω）与激光器串联。

图8-2 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。

五、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。

六、实验测试点说明T97（V+）、T98（V-）激光器的数字驱动电流测试端TP108（LT）激光器的输出信号测试端七、实验报告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。

I的大小。

2、根据所画的P-I特性曲线，找出半导体激光器阈值电流th3、根据P-I特性曲线，求出半导体激光器的斜率效率。

4、实验结果及误差分析正确。

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。

实验二光发射机性能测试实验一、实验目的1、了解数字光发端机输出光功率的指标要求2、掌握数字光发端机输出光功率的测试方法3、了解数字光发端机的消光比的指标要求4、掌握数字光发端机的消光比的测试方法二、实验内容1、测试数字光发端机的输出光功率2、测试数字光发端机的消光比3、比较驱动电流的不同对输出光功率和消光比的影响三、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、850nm光发端机（可选）1个6、ST-FC多模光跳线（可选） 1根7、连接导线 20根四、实验原理光发送机是数字光纤通信系统中的三大组成部分（光发送机、光纤光缆、光接收机）之一。

其功能是将电脉冲信号变换成光脉冲信号，并以数字光纤通信系统传输性能所要求的光脉冲信号波形从光源器件组件的尾纤发射出去。

根据光纤在0.85um、1.31um或1.55um附近呈现低损耗的特性，结合半导体发光材料，其辐射波长能够覆盖上述范围的是GaAs化合物。

光源驱动电路是光发送机的主干电路，它将电脉冲信号通过电流强度的调制方式调制半导体激光器或者发光二极管发射出光脉冲信号。

一个性能十分完善的光发送机，一方面是需要能够适应数字光纤通信特点的性能先进的光源器件，另一方面就是根据光源器件的应用特性采用先进的电子线路技术进行恰到好处的控制与防范。

这就是光发送机除了一定要有整形或码型变换电路、光源驱动电路和发射光源以外，还可能要有自动功率控制、自动温度控制和各种保护电路的原因。

光发送机的指标有如下几点：1、输出光功率：输出光功率必须保持恒定，要求在环境温度变化或LD器件老化的过程中，其输出光功率保持不变，或者其变化幅度在数字光纤通信工程设计指标要求的范围内，以保证其数字光纤通信系统能长期正常稳定运行。

输出光功率是指给光发端机的数字驱动电路送入一伪随机二进制序列作为测试信号，用光功率计直接测试光发端机的光功率，此数值即为数字发送单元的输出光功率。

输出光功率测试连接如图12-1所示。

图12-1 输出光功率测试连接示意图根据CCITT 标准，信号源输出信号为表12-1所规定的要求。

数字率（kbit/s ） 伪随机测试信号2048 215－18448 215－134368 223－1139264 223－12、消光比：消光比定义式如下式4-1，P 0是给光发端机的数字驱动电路发送全“0”码，测得的光功率，P 1是给光发端机的数字驱动电路发送全“1”码，测得的光功率，将P 0，P 1代入公式：1lg10P P EXT （12-1） 即得到光发端机的消光比。

消光比的值与光源工作电流有一定的关系，一般当发送“0”时，工作电流应在阀值附近，实验时可调节相应的驱动电流值。

光通信系统一般要求消光比越大越好，但是不可过大或过小，消光比太大，即预偏置电流太小或没有，影响通信系统传输速率；消光比太小，则调制深度浅，有用光功率比例减小，影响系统灵敏度。

3、光脉冲的响应时间),(f r t t 及开通延迟时间)(d t 必须远小于每个码元的时隙，以便使光脉冲成为传输数字信号的准确重现。

4、输出光脉冲无张弛振荡和自脉动当调制速率较高时，输出光脉冲可能会出现张弛振荡。

这时必须在电路上加以阻尼，以便使光发送机能正常工作。