常用光纤器件特性测试实验
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、预备知识
1、光源的种类
2、半导体激光器的特性、内部结构、发光原理
四、实验仪器
1、ZY12OFCom13BG3型光纤通信原理实验箱1台
2、FC接口光功率计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
五、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，是一种阈值器件。

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。

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。

阈值电流是非常重要的特性参数。

图1-1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th I 。

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th I 。

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th I 之前半导体激光器输出荧光，到达th I 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1-1。

(
)()d P I e P
hv e hv I
η∆∆∆==⋅∆ （1-1）
P I ∆∆就是图1-1激射时的斜率，h 是普朗克常数（6.625*10-34 焦耳秒），ν为辐
射跃迁情况下，释放出的光子的频率。

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th I 尽可能小，th I 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：
表1-1 本实验半导体激光器的部分参数参考表
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 λ
1280 1310 1340 nm
Spectral Width RMS
谱线宽度 λ∆
2 5 nm
Threshold Current
阈值电流
th I
8 15 mA
Optical output power
0P 0.2 0.6 1.2 mW
图1-1 LD 半导体激光器P-I 曲线示意图
六、实验注意事项
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。

七、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、拨动双刀三掷开关，将BM1、BM2选择在中间档，即将R110与电路断开。

3、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）。

4、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。

5、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。

6、连接导线：将T502与T101连接，将数字信号码型拨成10101010，10101010，
10101010。

7、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)，并打开光发模块和数字信号源的直流电源（K10与K50）。

8、用万用表测量R110两端电压（红表笔插T103，黑表笔插T104）。

9、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1-2，精确到0.1uW。

10、做完实验后先关闭光发模块和数字信号源的直流电源（K10与K50），然后依次关掉各直流开关（电源模块），以及交流电开关。

11、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。

12、将各仪器设备摆放整齐。

表1-2 LD的P-I特性测试表
13、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。

14、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。

八、实验报告
1、字迹工整,原理论述清楚
2、根据测试结果，算出半导体激光器驱动电流，画出光功率与注入电流的关系曲线。

3、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
4、根据P-I特性曲线，求出半导体激光器的斜率效率。

5、实验结果及误差分析正确。

九、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。