实验一-半导体激光器P-I特性测试实验
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。
半导体激光器特性测量实验报告
半导体激光器特性测量一、实验目的：1.通过本实验学习半导体激光器原理。
2.测量半导体激光器的几个主要特性。
3.掌握半导体激光器性能的测试方法。
二、实验仪器：半导体激光器装置、WGD-6型光学多道分析器、电脑等。
三、实验原理：WGD-6 型光学多道分析器，由光栅单色仪，CCD 接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D 采集单元，计算机组成。
该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。
光学系统采用C－T 型，如图M1 反射镜、M2 准光镜、M3 物镜、M4 转镜、G 平面衍射光栅、S1 入射狭缝、S2 光电倍增管接收、S3 CCD 接收。
入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0－2mm 连续可调，光源发出的光束进入入射狭缝S1、S1 位于反射式准光镜M2 的焦面上，通过S1 射入的光束经M2 反射成平行光束投向平面光栅G 上，衍射后的平行光束经物镜 M3 成像在S2 上。
四、实验内容及数据分析1.半导体激光器输出特性的测量：a)将各仪器按照要求连接好；b)打开直流稳压电源，打开光多用仪；c) 将激光器的偏置电流输入插头接于稳压电源的电流输出端；d) 将激光器与光多用仪的输入端相连并使探头正好对激光器输出端，打开光多用仪； e) 缓慢增加激光器输入电流（0mA~36mA ），注意电流不要超过ＬＤ的最大限定电流（实验中不超过38mA ）。
从功率计观察输出大小随电流变化的情况； f) 记录数据； g) 绘图绘成曲线。
实验数据及结果分析： I （mA ） 1.02.03.04.05.06.07.0 8.09.010.011.0 12.0 P (uW) 0.40 0.80 1.25 1.75 2.25 2.85 3.54.255.05 5.956.98.0I （mA ） 13.0 14.0 15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 21.0 22.0 23.0 24.0 P (uW) 9.310.7512.4514.5517.8522.941.0311.5753.51179.51594.51845.0根据以上实验数据绘制I —P 曲线:半导体激光器输出特性2004006008001000120014001600180020000510152025I(mA)P(uW)实验结果分析：通过半导体激光器的控制电源改变它的工作电流I ，测量对应的发光功率P ，以P 为纵轴，I 为横轴作图，描成曲线。
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.
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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
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。
实验一半导体激光器及光无源器件测试
实验1半导体激光器及光无源器件测试实验半导体LD光源的P-I曲线绘制实验一、实验目的1.了解半导体激光器平均输出光功率与注入电流的关系；2.掌握半导体激光器P-I曲线的测试及绘制方法。
二、实验仪器1•光纤通信实验箱（激光/探测器性能测试模块）2.20M双踪示波器3.光功率计4.电流表。
5.小平口螺丝刀6.信号连接线1根三、实验原理1.半导体激光器的功率特性示意图:® ? ? 1溺并舉的功盛特件半导体激光器的输出光功率P与驱动电流I的关系如图2. 3. 1所示，该特性有一个转折点，相应的驱动电流称为门限电流（或称阀值电流），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，功率很小，通常小于lOOpw；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相似于正向二极管的特性，但山于双异质结包含两个P\结，所以在正常工作电流下激光器两极间的电压为。
P-I特性是选择半导体激光器的重要依据，在选择时，应选阀值电流Ith尽可能小，Ith对应P值小的半导体激光器，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。
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，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阀值条件。
一般用注入电流值来标定，也即阀值电流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 发出光，当电流大于Ith时，则输出光为激光，且输入电流和输出光功率成线性关系。
实验一半导体激光器pi特性曲线测量
实验四半导体激光器光谱测量与模式分析一、实验目的：1.了解半导体激光器的工作原理和相关特性；2.掌握半导体激光器模式参数的测量方法；二、实验原理：半导体激光器的模式分为空间模和纵模(轴模)。
空间模描述围绕输出光束轴线某处的光强分布，或者是空间几何位置上的光强(或光功率)的分布，也称远场分布；纵模则表示一种频谱，它反映所发射的光束其功率在不同频率(或波长)分量上的分布。
二者都可能是单模或者出现多个模式(多模)。
边发射半导体激光器具有非圆对称的波导结构，而且在垂直于异质结平面方向(称横向)和平行于结平面方向(称侧向)有不同的波导结构和光场限制情况。
横向上都是异质结构成的折射率波导，而在侧向目前多是折射率波导，但也可采取增益波导，因此半导体激光器的空间模式又有横模与侧模之分。
图1表示这两种空间模式。
图1 半导体激光器横模与侧模由于有源层厚度很薄(约为0.15μm)，都能保证在单横模工作；而在侧向，则其宽度相对较宽，因而视其宽度可能出现多侧模。
如果在这两个方向都能以单模(或称基模)工作，则为理想的TEM00模，此时出现光强峰值在光束中心且呈“单瓣”。
这种光束的光束发散角最小、亮度最高，能与光纤有效地耦合，也能通过简单的光学系统聚焦到较小的斑点，这对激光器的应用是非常有利的。
相反，若有源区宽度较宽，则发光面上的光场(称近场)在侧向表现出多光丝，好似一些并行的发光丝，在远场的侧向则有对应的光强分布，如图2所示。
这种多侧模的出现以及它的不稳定性，易使激光器的P-I特性曲线发生“扭折”(kink)，使P-I线性变坏，这对信号的模拟调制不利；同时多侧模也影响与光纤高效率的耦合，侧模的不稳定性也影响出纤功率的稳定性；不能将这种多侧模的激光束聚焦成小的光斑。
图2 有多侧模的半导体激光器的近场和远场由于半导体激光器发光区几何尺寸的不对称，其远场呈椭圆状，其长、短轴分别对应于横向与侧向。
在许多应用中需用光学系统对这种非圆对称的远场光斑进行圆化处理。
实验1LDLED的P-I-V特性曲线测试
实验1 LD/LED的P-I-V特性曲线测试实验目的1、测试LD/LED的功率－电流（P-I）特性曲线和电压－电流（V-I）特性曲线，计算阈值电流（Ith）和外微分量子效率。
2、了解温度（T）对阈值电流（Ith）和光功率（P）的影响。
实验内容1、测试在LD/LED的功率－电流（P-I）特性曲线和电压－电流（V-I）特性曲线。
2、测试LD温度特性。
实验仪器1、LD激光二极管（带尾纤输出，FC型接口） 1只2、LED发光二极管 1只3、LD/ LED电流源 1台4、温控器（可选） 1台5、光功率计 1台6、积分球（可选） 1个7、万用表 1台实验原理激光二极管LD和发光二极管LED是光通讯系统中使用的主要光源。
LD和LED都是半导体光电子器件，其核心部分都是P-N结。
因此其具有与普通二极管相类似的V-I特性曲线，如图1-1所示：由V-I曲线我们可以计算出LD/LED总的串联电阻R和开门电压VT。
在结构上，由于LED与LD相比没有光学谐振腔。
因此，LD和LED的功率与电流的P-I关系特性曲线则有很大的差别。
LED的P-I曲线基本上是一条近似的线性直线。
从图1-2中可以看出LD的P-I曲线有一阈值电流Ith ，只有在工作电流If>Ith部分，P-I曲线才近似一根直线。
而在If <Ith部分，LD输出的光功率几乎为零。
对于LD可以根据其P-I曲线可以求出LD的外微分量子效率ηD。
其具有如下关系：()ηD ⋅⋅-=V I I P th f因此在曲线中，曲线的斜率表征的就是外微分量子效率。
由于光电子器件是由半导体材料制成，因此温度对其光电特性影响也很大。
随着温度的增加，LD 的阈值逐渐增大，光功率逐渐减小，外微分量子效率逐渐减小。
阈值与温度的近似关系可以表示为：]/)ex p[()()(0T T T T I T I r r th th -=式中，T r 为室温，)(r th T I 为室温下的阈值电流，T 0为特征温度。
实验一 半导体激光器pi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。
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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。