实验一 半导体激光器P-I特性曲线测量
光纤通信实验报告
XX学号时间地点实验题目半导体激光器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表格中，精确到0.1uW。
9、做完实验后先关闭交流电开关。
10、拆下光跳线与光功率计，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。
五、实验报告结果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。
2、根据所画的P-I特性曲线，找出半导体激光器阈值电流的大小。
半导体激光器电学特性的测量实验
半导体激光器电学特性的测量实验一、测试实验原理半导体激光器的核心是PN 结，当用光照和电子束激励或电注入等方式使半导体中的载流子从平衡状态时的基态跃迁到非平衡状态时的激发态，此过程称为激发或激励，它的逆过程就是处于非平衡态激发态上的非平衡载流子回复到较低的能态而放出光子的过程，这就是复合辐射。
半导体发光器件的本质就是注入到半导体PN 结中的非平衡载流子——电子空穴对复合发光。
这是一种非平衡载流子复合的自发辐射，激光器则是上述的非平衡载流子的复合发光在激光器的具有增益的光介质谐振腔作用下形成相干振荡而输出激光，所以发光管的发光效率决定于半导体材料的自发辐射系数的大小。
激光器辐射发光除与材料的增益系数有关外还与谐振腔的特性和结构尺寸有关。
半导体材料的增益系数为：jm g β=β为增益因子，m 为与结构有关的指数，j 为电流密度。
激光器的阈值条件为：)/1()2/1(21R R L L a g n +=a 为腔内的其它损耗，Ｌ为腔长，1R 2R 为腔端面的反射系数，所以激光器的阈值电流密度为：()()[]21/12/1/1R R L L j n mth +=αβ由上可知一个制作好的激光器件或发光管，它既是一个ＰN 结二极管，又是一个电光转换器，它们的工作过程是，当给它正向注入载流子时则在二极管中产生电 子空穴对的复合跃迁而发射光子，光子的能量由二极管的材料的禁带宽度gE 决定，hvE g =，h 为普朗克常数，v 为光频率，发射的同时还存在光的吸收，称为吸收跃迁。
注入小时，吸收大于发射，没有光输出，当注入载流子增大时随发射的增加将逐渐大于吸收而得到荧光输出，发光管就是这样工作的。
但对于激光器由于有介质谐振腔存在，则输入载流子达到激光器的阈值电流时则产生激光输出，再继续增加注入电流，输出光功率也增大，同理，管的功率发热也增加，注入过大时则管子因发热而损坏，从这里我们可以看出，半导体激光器件的特性包括PN 结二极管的I —V 特性和载流子注入而产生的电光转换特性，测量其特性参数可采用两种电注入方法：第一种为脉冲法、第二种为直流法。
半导体激光器_实验报告
P(uW)
800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
从拟合图中找出阈值以上的直线部分，单独拟合如下图 2，利用拟合公式求得阈 值电流为 11.73mA；斜率效率为 0.10084W/A.
2/7
半导体激光器
图 2
阈值以上的直线部分
10
误差产生的原因可能是读数时示数不稳定所带来的偏差，也有可能是测量光 功率时存在一些额外的损耗而没有很好的避免。 通过对表格 4、表格 5 的直观分析，可以看出：当电流一定时，随着温度的增 加，DFB 光谱的中心波长增加，功率谱密度减小；当温度一定时，随着电流 的增加，DFB 的中心波长增加，功率谱密度也增加。
功率谱密度/dBm -2.642 -0.963 0.381 1.168 1.925 2.621
中心波长 1546.139nm
功率谱密度 -0.154dBm
纵模间隔 1.374nm
-20dB 单模带宽 0.174nm
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半导体激光器
二、 实验结果分析
当温度为 20.1℃时，通过对 DFB 的 P-I 曲线拟合（图 1 图 2） ，得到的阈值 电流为 11.73mA， 当温度为 24.9℃时 （图 3 图 4） ， 得到的阈值电流为 12.15mA. 通过对 F-P 的 P-I 曲线拟合（图 5 图 6）,得到的阈值电流为 9.19mA,与理论 值的相对误差为 ε=| 9.19 10 | 100 % 8.1%
功率谱密度/dBm -2.642 -2.834 -2.936 -3.129 -3.283 -3.334
固定温度改变电流(t=20℃)
表格 5
光纤通信实验报告1-光源的P-I特性测试
在主控&信号源模块，选择光纤通信菜单，在其中选择选择第一个实验，光源的P-I特性测试。
2实验结果记录
测得参数填入表格如下：
P(uW)
413.7
387.0
309.6
239.8
172.5
97.84
13.62
u(V)
0.64
0.60
0.51
0.43
0.34
0.27
0.16
I(A)
0.019
LD半导体激光器P-I曲线示意图
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，激光二极管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，也即启动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。半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系如上图所示，该特性有一个转折点，相应的驱动电流称为门限电流（或称阈值电流），用Ith表示。在门限电流以下，激光器工作于自发辐射，输出（荧光）光功率很小，通常小于100pW；在门限电流以上，激光器工作于受激辐射，输出激光功率随电流迅速上升，基本上成直线关系。激光器的电流与电压的关系类似于正向二极管的特性。该实验就是对该线性关系进行测量，以验证P-I的线性关系。
0.018
0.0155
0.013
0.0103
0.0081
0.0049
P(uW)
7.576
1.318
1.040
0.700
0.5120
0.3750
0.1922
u(V)
0.15
0.14
0.13
0.12
0.11
0.09
半导体激光器特性测试实验
太原理工大学现代科技学院光纤通信课程实验报告专业班级学号姓名指导教师实验名称 半导体激光器P-I 特性测试实验 同组人 专业班级 学号 2 姓名 成绩一、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.ZYE4301G 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（△λ=0.1～1.Onm)，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。
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。
半导体激光器特性测试实验
太原理工大学现代科技学院光纤通信课程实验报告专业班级学号姓名指导教师实验名称 半导体激光器P-I 特性测试实验 同组人 专业班级 学号 2 姓名 成绩一、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.ZYE4301G 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（△λ=0.1～1.Onm)，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。
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。
实验一 半导体激光器P-I特性曲线测量
实验一半导体激光器P-I特性曲线测量一、实验目的：1.了解半导体光源和光电探测器的物理基础；2.了解发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)的发光原理和相关特性；3.了解PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)的工作原理和相关特性；4.掌握有源光电子器件特性参数的测量方法；二、实验原理：光纤通信中的有源光电子器件主要涉及光的发送和接收，发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)是最重要的光发送器件，PIN光电二极管和APD光电二极管则是最重要的光接收器件。
1．发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)：LED是一种直接注入电流的电致发光器件，其半导体晶体内部受激电子从高能级回复到低能级时发射出光子，属自发辐射跃迁。
LED为非相干光源，具有较宽的谱宽(30～60nm)和较大的发射角(≈100°)，常用于低速、短距离光波系统。
LD通过受激辐射发光，是一种阈值器件。
LD不仅能产生高功率(≥10mW)辐射，而且输出光发散角窄，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(>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。
使粒子数反转从而产生光增益是激光器稳定工作的必要条件，对于处于泵浦条件下的原子系统，当满足粒子数反转条件时将会产生占优势的(超过受激吸收)受激辐射。
在半导体激光器中，这个条件是通过向P型和N型限制层重掺杂使费密能级间隔在PN结正向偏置下超过带隙实现的。
当有源层载流子浓度超过一定值(称为透明值)，就实现了粒子数反转，由此在有源区产生了光增益，在半导体内传播的输入信号将得到放大。
如果将增益介质放入光学谐振腔中提供反馈，就可以得到稳定的激光输出。
(1) LED和LD的P-I特性与发光效率：图1是LED和LD的P-I特性曲线。
LED是自发辐射光，所以P-I曲线的线性范围较大。
半导体激光器LD的P-I特性
一、实验目的：1.了解半导体激光器LD的P-I特性；了解数字光发射机的消光比的定义及指标要求；2.熟悉光功率计的使用方法，熟悉数字光纤通信系统工作过程；3.熟悉数字光发射机平均光功率的概念；熟悉数字光接收机灵敏度概念；4.熟练测试光源P-I特性曲线；5.掌握数字光发射机的消光比的测试方法；6.掌握数字光发射机平均光功率的测试方法；7.掌握光接收机灵敏度的近似测试方法；8. 实施光纤通信系统中的数据传输；9. 熟悉数字光纤系统受损耗限制时的中继距离测算二、实验环境1.通信系统综合实验平台1；2.装有SRP软件的PC机1；3.光纤通信板1 ；4.光纤多用表（用于光功率计）1；5.数字万用表1；6.数字示波器1；7.排线1；8.电路跳线至少3；9.（光）尾纤1；10. 收纳盒及其余配件1及见清单三、实验基本原理及预习1．LD光源的P-I特性：转折点，相应的驱动电流称为门限电流(或称阈值电流)，用Ith表示。
在门限电流以下，激光器工作于自发辐射，输出光功率通常小于200pW；在门限电流以上，激光器工作于受激辐射，输出激光，功率随电流迅速上升，基本上成折线关系。
2．光发射机消光比：消光比定义为： 0011P P lg 10=EXT P00：光发射机输入全“0”时输出的平均光功率即无输入信号时的输出光功率。
P11：光发射机输入全“1”时输出的平均光功率。
消光比EXT 可形象类比于光发射机眼图，EXT 越大，眼图中眼睛睁的越开，光接收机灵敏度越高。
3．光发射机平均光功率：发射机发送伪随机序列时，发射端输出的光功率值。
4.光接收机灵敏度Pmin在给定误码率或信噪比条件下，光接收机所能接收的最小平均光功率。
Pmin 越 小，接收机的灵敏度就越高。
灵敏度Pmin 的单位一般用dBm 表示：mWP P 1min lg 10min ><= 5．光纤通信中继距离受损耗限制的计算：L(af+as+am)+2ac+Me ≤ Pt -PrPt 为平均发射功率（dBm ）,Pr 为接收灵敏度（dBm ） ，ac 为连接器损耗，Me 为系统余量，af 为光纤损耗系数（dB/km ），as 为每km 平均接头损耗，am 为每km 光纤线路损耗余量，L 为中继距离（km ）6．AV2498A 型光纤多用表之光功率测量：波长选择为1310nm ；根据测试需求随时切换 按“W ／dBm"键得到线性(W)、对数值(dBm)按调零键可以将很小负功 率值调整为很小的正功率值四、实验步骤项目1：测量 LD 激光器的P -I 特性曲线 （1/4）• 1.1 接好光功率计电源（穿过本实验桌线过孔），开PC 机，开实验箱电源，双击PC 桌面XSRP_UI ，进入软件界面，观察右上角，如果ARM 与FPGA 灯点亮，表示连接正常。
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实验一半导体激光器P-I特性曲线测量
一、实验目的：
1.了解半导体光源和光电探测器的物理基础；
2.了解发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)的发光原理和相关特性；
3.了解PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)的工作原理和相关特性；
4.掌握有源光电子器件特性参数的测量方法；
二、实验原理：
光纤通信中的有源光电子器件主要涉及光的发送和接收，发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)是最重要的光发送器件，PIN光电二极管和APD光电二极管则是最重要的光接收器件。
1．发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)：
LED是一种直接注入电流的电致发光器件，其半导体晶体内部受激电子从高能级回复到低能级时发射出光子，属自发辐射跃迁。
LED为非相干光源，具有较宽的谱宽(30～60nm)和较大的发射角(≈100°)，常用于低速、短距离光波系统。
LD通过受激辐射发光，是一种阈值器件。
LD不仅能产生高功率(≥10mW)辐射，而且输出光发散角窄，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(>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。
使粒子数反转从而产生光增益是激光器稳定工作的必要条件，对于处于泵浦条件下的原子系统，当满足粒子数反转条件时将会产生占优势的(超过受激吸收)受激辐射。
在半导体激光器中，这个条件是通过向P型和N型限制层重掺杂使费密能级间隔在PN结正向偏置下超过带隙实现的。
当有源层载流子浓度超过一定值(称为透明值)，就实现了粒子数反转，由此在有源区产生了光增益，在半导体内传播的输入信号将得到放大。
如果将增益介质放入光学谐振腔中提供反馈，就可以得到稳定的激光输出。
(1) LED和LD的P-I特性与发光效率：
图1是LED和LD的P-I特性曲线。
LED是自发辐射光，所以P-I曲线的线性范围较大。
LD有一阈值电流I
th ，当I>I
th
时才发出激光。
在I
th
以上，光功率P随I线性增加。
图1：LD和LED的P-I特性曲线
(a) LD的P-I特性曲线 (b) LED的P-I特性曲线
阈值电流是评定半导体激光器性能的一个主要参数，本实验采用两段直线拟合法对其进
行测定。
如图2所示，将阈值前与后的两段直线分别延长并相交，其交点所对应的电流即为。
阈值电流I
th
图2：两段直线拟合法测量LD阈值电流
发光效率是描述LED和LD电光能量转换的重要参数，发光效率可分为功率效率和量子
效率。
功率效率定义为发光功率和输入电功率之比，以η
ω表示。
量子效率分为内量子效率和外量子效率。
内量子效率定义为单位时间内辐射复合产生的光子数与注入PN结的电子-空穴对数之比。
外量子效率定义为单位时间内输出的光子数与注入到PN结的电子-空穴对数之比。
(2) LED和LD的光谱特性：
LED没有光学谐振腔选择波长，它的光谱是以自发辐射为主的光谱，图3为LED的典型
，光谱曲线上光谱曲线。
发光光谱曲线上发光强度最大处所对应的波长为发光峰值波长λ
P
两个半光强点所对应的波长差Δλ为LED谱线宽度(简称谱宽)，其典型值在30-40nm之间。
的变化可以求出由图3可以看到，当器件工作温度升高时，光谱曲线随之向右移动，从λ
P
LED的波长温度系数。
图3：LED光谱特性曲线
激光二极管的发射光谱取决于激光器光腔的特定参数，大多数常规的增益或折射率导引器件具有多个峰的光谱，如图4所示。
激光二极管的波长可以定义为它的光谱的统计加权。
，在规定输出光功率时，光谱内若干发射模式中最大强度的光谱波长被定义为峰值波长λ
P
相当明显。
一个激光二极管能够维持的光谱线数目取对诸如DFB、DBR型LD来说，它的λ
P
决于光腔的结构和工作电流。
图4：LD光谱特性曲线
(3) LED和LD的调制特性：
当在规定的直流正向工作电流下，对LED进行数字脉冲或模拟信号电流调制，便可实现对输出光功率的调制。
LED有两种调制方式，即数字调制和模拟调制，图5示出这两种调制方式。
调制频率或调制带宽是光通信用LED的重要参数之一，它关系到LED在光通信中的传输速度大小，LED因受到有源区内少数载流子寿命的限制，其调制的最高频率通常只有几十兆赫兹，从而限制了LED在高比特速率系统中的应用，但是，通过合理设计和优化的驱动电路，LED也有可能用于高速光纤通信系统。
调制带宽是衡量LED的调制能力，其定义是在保证调制度不变的情况下，当LED输出的交流光功率下降到某一低频参考频率值的一半时(-3dB)的频率就是LED的调制带宽。
图5：LED调制特性
在LD的调制过程中存在以下两种物理机制影响其调制特性：(1) 增益饱和效应。
当注入电流增大，因而光子数P增大时，增益G出现饱和现象，饱和的物理机制源于空间烧孔、谱烧孔、载流子加热和双光子吸收等因素。
谱烧孔也称带内增益饱和。
这些因素导致P增大时G的减小。
(2) 线性调频效应。
当注入电流为时变电流对激光器进行调制时，载流子数、光增益和有源区折射率均随之而变，载流子数的变化导致模折射率五和传播常数的变化，因
此产生了相位调制，它导致了与单纵模相关的光(频)谱加宽，又称线宽增强因子。
2．PIN光电二极管和APD光电二极管：
光电探测器的作用是完成光电转换。
光纤通信所用的光电探测器是半导体光电二极管。
它们利用半导体物质吸收光子后形成的电子一空穴对把光功率转换成光电流。
常用的有PIN 光电二极管和APD光电二极管，后者有放大作用。
在短波长采用硅材料，在长波长采用锗材料或InGaAsP材料。
三、实验内容及步骤：
1.1550nm F-P半导体激光器P-I特性曲线测量
a.将1550nm半导体激光器控制端口连接至主机LD1，光输出连接至主机OPM端口，
检查无误后打开电源
b.设置OPM工作模式为OPM/mW模式，量程(RTO)切换至1mW
c.设置LD1工作模式(MOD)为恒流驱动(ACC)，1550nm激光器为恒定电流工作模式，
驱动电流(Ic)置为0
d.缓慢增加激光器驱动电流，0至30mA每隔0.5mA测一个点，作P～I曲线
2.求1550nm F-P半导体激光器阈值电流
四、注意事项：
1.系统上电后禁止将光纤连接器对准人眼，以免灼伤。
2.光纤连接器陶瓷插芯表面光洁度要求极高，除专用清洁布外禁止用手触摸或接触硬物。
空置的光纤连接器端子必须插上护套。
3.所有光纤均不可过于弯曲，除特殊测试外其曲率半径应大于30mm。