光电子技术实验讲义
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光电子技术实验指导书
《光电子技术实验》指导书北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院2010年12月实验规则及注意事项由于本实验课所用设备属于高技术实验系统，许多组件价格昂贵，易于损坏，所以实验者在做实验前应该充分复习实验大纲上的内容，实验者在做实验时应注意以下几点事项：1．操作光纤时应注意不能用力拉扯光纤，不能随意弯曲光纤。
实验时不要用手碰动与实验无关的光纤部分。
2．实验调节电流时注意不要使工作电流超过限额。
电流过大有可能损坏光源和光探测器以及其它有源器件。
3．不能直视光纤、激光器出射的光束！4．调节光学微调架时要小心、轻力，严禁强力搬拧光学微调架。
目录实验1：光源与光纤耦合调整及光纤损耗特性测量实验 (4)实验2：光纤温度传感系统特性实验 (8)实验一. 光源与光纤耦合调整及光纤损耗特性测量实验一．实验目的（1）了解提高光源与光纤耦合效率的原理及方法。
重点掌握光路调整及光纤处理的基本方法。
（2）了解光纤损耗的定义，掌握光纤衰减的测试方法。
二．实验原理1．光源与光纤耦合调整实验原理（1）直接耦合：这种方法将光纤的端面直接靠近光源的发光面，为了保证耦合的效率，光纤的端面必须经过特殊处理，而且光纤端面与光源发光面的距离要尽可能的近。
光源的发光面不应该大于纤芯的横截面面积，这是为了避免较大的耦合损耗。
通常带尾纤的光源都使用这种耦合方式。
这种耦合方法对光源耦合封装工艺技术要求较高。
（2）使用透镜耦合：具体方法描述如下——将光源发出的光通过透镜聚焦到光纤的纤芯上，可以使光源与光纤的耦合效率提高。
具体原理见图1。
五维调节架五维调节架图1. 透镜耦合（3）利用五维调节架对光纤入端及出端进行位置调整，使输出功率达到最大。
（4） 耦合效率的计算（适合所有的耦合方法）：21P P ≡η其中P 1为输出功率，P 2为输入功率。
2． 光纤损耗特性测量实验光纤衰减是光纤中光功率减少量的一种度量，它取决于光纤的工作波长类型和长度，并受测量条件的影响。
光电子技术试验试验教学大纲
《光电子技术实验》实验教学大纲
开课实验室：光电子技术实验室课程总学时： 50
课程名称：光电子技术实验课程编号： S4210020
实验学时： 50 上机学时： 0
面向专业：电子科学与技术实验类别：专业基础课实验
开课学期： 6
一、实验教学的指导思想和教学目的
通过实验教学进一步加深学生对专业基本理论的理解，掌握多种光电探测仪器的原理及使用，提高联系实际的能力。
培养学生实验技能及分析实验现象的能力，奠定学生实际工作中良好的分析问题和解决问题的能力。
二、实验教学的基本要求
本实验课程涉及本专业基本理论与技术，使用气体与固体激光器。
每个实验给出了原理、装置及任务并附有思考题。
既有演示实验、验证实验、又有综合实验。
即有基础理论现象的观察（观测）和激光器本身基本参量的调试测定，又有运用专业基础知识和技术对具体问题作综合的实验研究。
本着夯实基础的思想，本课程力图使学生了解并掌握多种光电测试仪器的原理及操作，巩固专业基础理论知识，感性理解专业技术知识，提高学生实验技能及分析实验观察的能力。
三、实验教材
1．《光电子（激光）专业实验》指导书，本专业编，2001年部分修改；
2．《激光实验方法》，马祖光编，1987年；
3．《激光实验选编》，高以智编，1987年；
4．《激光实验选编》，北京大学编，1998年。
四、实验考核
1．作为一门独立的实验课程，期末考试以题签面试和考察实验报告相结合的方式；
2．试验缺席二次以上不准参加考试。
五、实验项目表。
《光电技术实验》教学大纲
《光电子技术实验》课程教学大纲课程代码：0807408005课程名称：光电子技术实验英文名称：Experiments of photoelectron technology学分：1 总学时：24适用对象：光电信息科学与工程专业学生先修课程：大学物理、高等数学一、教学目标与基本要求1、通过实验，加深对光电子技术基本理论知识的理解，熟练掌握光电子技术的基本测试原理、实验方法、实验思想、操作技能，实验结果分析，掌握实际光学系统的设计方法；2、熟悉并掌握常用光学仪器设备的使用方法；3、通过实践环节，培养学生运用基础理论知识，分析和解决光电子技术中实际问题的能力和创新能力。
二、基本理论与实验技术知识本实验课程是《光电子技术A》理论课程的配套课程，需要学生利用理论课涉及的光学基础知识、光与物质的相互作用、激光原理、光的电磁理论和波动光学、光波导理论、光调制、光的探测和显示和光无源器件知识完成相关的实验项目。
通过实验，使学生初步掌握光电子技术的全貌，学会光源的使用、光学系统的搭建，各光学元件间距测量及数据的处理工作。
三、实验方法、特点与基本要求学生在课前认真阅读实验教材和有关资料，实验中，学生应该根据实验项目的要求选择光学器件、搭建调平光学系统、观察到光学影像。
光学元件轴向测距应首先该元件的中心，横向测距应会使用光学测微仪相对测量。
认真作好实验报告，认真分析实验现象和实验数据，引出正确结论。
四、实验主要仪器设备光学导轨、起偏器、检偏器、λ/4 波片、He-Ne 激光器、光调制器, 光学导轨、起偏器、检偏器、λ/4 波片、He-Ne 激光器、光调制器, 光电综合应用实验箱、红外发射装置、光电接收装置、示波器、万用表, 光电信息实验平台，面阵CCD 光阑光栅菲涅耳片等五、实验项目的设置与内容提要六、实验报告要求按照指导教师要求撰写和提交实验报告和实验原始记录。
七、考核方式与成绩评定考核方式：检查预习笔记、实验结果及原始记录、批改实验报告。
现代光电子技术实验讲义
实验五感应式防盗报警器设计实验
一、实验目的
1、了解光敏二极管的原理与特性；
2、了解红外光路系统模型；
3、掌握红外感应式报警设计实验的工作原理。
二、实验内容
1、利用光敏二极管设计感应式防盗报警器。
三、实验仪器
1、光电创新综合实验平台
2、特性测试模块
3、光源特性测试模块
4、开放性实验模块二
5、连接导线
四、实验原理
2.2光谱特性
决定于所采用的材料。锗和硅光电三极管的光谱特性与上一节的光敏二极管相同。
2.3伏安特性
图2（b）示出了光电三极管的伏安特性曲线。由于晶体管的放大作用，在同样的照度下，光电三极管的光电流和灵敏度。要比相同管型的光电二极管大几十倍。图中上面几条特性曲线的间隔较大，这是因为电流放大系数β在小电流时随着光电流上升而增大的缘故。
图5探测信号处理单元原理图
五、注意事项
1、不得扳动面板上面元器件，以免造成电路损坏，导致实验仪不能正常工作。
2、实验操作中不要带点插拔导线，应该在熟悉原理后，按照电路图连接，检查无误后，方可打开电源进行实验。
3、出现任何异常情况，请立即关机断电，并请相关老师加以指导。
六、实验步骤
1、开放性实验模块二的+5V和GND连接到台体的+5V和GND上。
图4红外驱动调制单元原理图
3探测信号处理单元
电路如图5所示，探测器使用2CU2B光敏二极管，反响接入电路，作为接受系统的感光器件。LF353构成放大电路，光敏二极管是一种光伏探测器，当入射光强度发生变化时，通过二级管的电流随之发生变化，二极管下面的电阻R19将电流的变化转化为电压的变化。随后接入滤波电路，滤除杂波。放大器分为两级，前一个1/2 LF353构成主放大器，将光敏二极管所接受的变化信号放大。后一个1/2 LF353构成比较器，比较器的反相输入端6脚家来自主放大器的信号电压。当光线未阻断时，从主放大器来的交流信号经二极管D1检波，在经过R9和C7低通滤波后得到直流电压，比较器的同相输入端5加某一偏置比较电压，其值要小于反相输入端6脚电位，则7脚输出电压近似为零。当红外光束被阻断时，主放大器没有信号输出，从而比较器只有同相输入端加的正电压，输出为高电平，则比较器输出电位的变化指示了光线是否阻断。在比较器输出端接上蜂鸣器或者LED灯即可构成报警系统。
一、实验目的
1、了解光敏二极管的原理与特性；
2、了解红外光路系统模型；
3、掌握红外感应式报警设计实验的工作原理。
二、实验内容
1、利用光敏二极管设计感应式防盗报警器。
三、实验仪器
1、光电创新综合实验平台
2、特性测试模块
3、光源特性测试模块
4、开放性实验模块二
5、连接导线
四、实验原理
2.2光谱特性
决定于所采用的材料。锗和硅光电三极管的光谱特性与上一节的光敏二极管相同。
2.3伏安特性
图2（b）示出了光电三极管的伏安特性曲线。由于晶体管的放大作用，在同样的照度下，光电三极管的光电流和灵敏度。要比相同管型的光电二极管大几十倍。图中上面几条特性曲线的间隔较大，这是因为电流放大系数β在小电流时随着光电流上升而增大的缘故。
图5探测信号处理单元原理图
五、注意事项
1、不得扳动面板上面元器件，以免造成电路损坏，导致实验仪不能正常工作。
2、实验操作中不要带点插拔导线，应该在熟悉原理后，按照电路图连接，检查无误后，方可打开电源进行实验。
3、出现任何异常情况，请立即关机断电，并请相关老师加以指导。
六、实验步骤
1、开放性实验模块二的+5V和GND连接到台体的+5V和GND上。
图4红外驱动调制单元原理图
3探测信号处理单元
电路如图5所示，探测器使用2CU2B光敏二极管，反响接入电路，作为接受系统的感光器件。LF353构成放大电路，光敏二极管是一种光伏探测器，当入射光强度发生变化时，通过二级管的电流随之发生变化，二极管下面的电阻R19将电流的变化转化为电压的变化。随后接入滤波电路，滤除杂波。放大器分为两级，前一个1/2 LF353构成主放大器，将光敏二极管所接受的变化信号放大。后一个1/2 LF353构成比较器，比较器的反相输入端6脚家来自主放大器的信号电压。当光线未阻断时，从主放大器来的交流信号经二极管D1检波，在经过R9和C7低通滤波后得到直流电压，比较器的同相输入端5加某一偏置比较电压，其值要小于反相输入端6脚电位，则7脚输出电压近似为零。当红外光束被阻断时，主放大器没有信号输出，从而比较器只有同相输入端加的正电压，输出为高电平，则比较器输出电位的变化指示了光线是否阻断。在比较器输出端接上蜂鸣器或者LED灯即可构成报警系统。
光电子技术实验课程
光电子技术实验课程光电子技术实验课程是一门理论与实践相结合的课程。
在这门课程中，学生将学习光电子技术的基本原理和应用，同时也将通过实验学习如何正确使用光电子技术的仪器和设备。
本文将对光电子技术实验课程进行详细介绍。
一、课程内容：光电子技术实验课程主要介绍了光电子仪器和设备的使用方法，如光电效应仪、光电倍增管、光电二极管等。
同时，还将介绍光学测量与光电子测量的基本原理和方法，如光路设计、光波导和光纤传输实验等。
二、课程目标：1.熟悉光电子技术的基本概念和原理，了解光电效应、半导体光电子学、光电子器件等方面的内容。
2.掌握光电子仪器和设备的使用方法，能够正确使用光电子测量仪器和设备进行实验。
3.能够熟练掌握光学测量和光电子测量的基本原理和方法，能够设计简单的光学测量和光电子测量系统。
三、实验内容：1.光电效应实验：光电效应是光电子学最基本的现象，也是研究光电子学的起点。
本实验将以测量光电离出电子动能为目的，通过调节基底电压和入射光强度，来掌握几种不同的光电效应。
2.光电倍增管测量实验：光电倍增管是一种常见的光电子仪器，其主要用于测量极小的电荷。
本实验将以测量阴极面电流为目的，测量光电倍增管的增益、噪声和信号处理等方面的性能。
3.光电二极管测量实验：光电二极管是一种光感性半导体器件，用于将光信号转化为电信号。
本实验将以光电二极管的输出电流为目标，测量光电二极管的响应曲线、灵敏度、响应时间等方面的性能。
4.光学干涉测量实验：光学干涉是一种用光学方法来测量导线、表面等微细物体的方法。
本实验将通过光源的选择、干涉条纹的观察和处理等步骤，来测量导线直径和表面形貌等参数。
5.光纤传输实验：光纤传输是一种基于光学原理的信息传输方式，其主要应用在通信技术、传感技术等领域。
本实验将通过对光纤的结构和特性的了解，来掌握光纤传输的基本原理和方法。
四、实验设备：光电效应仪、光电倍增管、光电二极管、干涉仪、光源、光纤等设备。
电子科大研究生《光电子技术》讲义(待续)
光电子技术课程介绍教材：课程定制参考书：•《光电子技术》，梅遂生，国防工业出版社，2008•《光电子技术》姚建铨，于意仲主编，高等教育出版社，2006•《光纤通信系统》，顾皖仪，北京邮电大学出版社，2006•《光电子器件和组件》，黄章勇编著，北京邮电大学出版社，2001课程目录第1章半导体发光器件§1 半导体能带理论§2 光源概述§3 LED照明技术§4 光源驱动技术第2章激光技术及应用§1 激光原理和谐振腔技术§2 半导体激光器§3 激光应用技术（1）§4 激光技术与应用（2）第3章光纤通信器件§1 光有源器件§2 光无源器件§3 光纤光栅器件第4章光电传感与成像器件§1 光电探测器件§2 光纤传感器§3 光电成像器件§4 光电图像信号采集与处理第5章光电显示技术§1 显示技术基础§2 LED显示屏§3 液晶显示技术§4 触摸屏§5 投影显示技术一 光电子技术所涉及的范围激光技术及应用：二氧化碳激光器、YAG:Nd激光器、半导体激光器；（激光在各个领域有广泛的应用）光通信：光发射和光接收机、光调制器、光纤、光放大器、光耦合器和光开关等各种光无源器件；光电显示：LCD、PDP、触摸屏、大屏幕LED显示屏和投影显示等；光电照明：各种电光源，半导体照明；光存储：光驱、光盘、全息存储；光传感：CCD及图像信号采集设备（数码相机、摄像头、扫描仪、热像仪和夜视仪）、激光打印机。
其它： 集成光电子学——在一个芯片上的光发射、光接收、光传导、光调制和解调、光放大、光处理。
二 光电子技术与电子技术的关系区别：电子技术是研究电子的运动规律，并应用于电子器件、电子电路和设备的技术。
光电子技术则是同时研究光与电、即光子或光波与电子的相互作用的一门技术，它包括光电子能源技术和光电子信息技术。
最新光电子技术课件ppt2[1]教学讲义ppt
![最新光电子技术课件ppt2[1]教学讲义ppt](https://img.taocdn.com/s1/m/2af7249afe4733687f21aabb.png)
14
I I 1 I 2 2I 1 I 2c os
• 非相干光源
co s0
I = I 1 + I 2 —非相干叠加
• 完全相干光源 co s co s
▲相长干涉（明） 2k,
I I m I a 1 x I 2 2 I 1 I 2
▲相消干涉（暗） (2 k 1 ) ,
光电子技术课件ppt2[1]
光子的相干性和光子简并度
相格的空间体积===========相干体积？ 结论：
1、相格空间体积以及一个光波模式或光子态占有的 空间体积都等于相干体积。
2、属于同一量子态的光子或同一模式的光波是相干 的，不同量子态的光子或不同模式的光波是不相干 的。
3、模式、光子的量子态、相干体积、相格等价
（1）基于晶体双折射原理起偏 （2）布儒斯特角起偏
这是利用光在界面上的反射与吸收过程获得偏振光的一种方式：
n1 ····i i ····
n2
r·
自然光反射和折射 后产生部分偏振光
n·1 ···i0
线偏振光
i0····S
n2
r0
·
起偏振角
2021/3/12
光电子技术与应用
12
i i = 0 时，反射光只有S分量 i0 r0 900 i 0 — 布儒斯特角或 起偏角
I I m I i1 n I 2 2I 1 I 2 (k= 0,1,2,3…)
2. 条纹衬比度（对比度，反衬度）
V ImaxImin Imax Imin
2021/3/12
光电子技术与应用
15
一. 双缝干涉 单色光入射
px x
dd
r1 r1
·p x x
rr22
光电子技术实验指导书(页).docx
光电子技术实验指导书武汉理工人V信息工程7院电子科V与技术系目录实验一光源特性测试 (1)实验二光电二极管光照特性实验 (7)实验三光电池特性实验 (11)实验四光电探测器直流参数测试 (13)实验五电光调制实验 (16)实验六光电报警系统设计实验 (21)实验一光源特性测试一、实验目的1、测试LD/LED的功率一电流（P-I）特性1111线和电压一电流（V・I）特性曲线，计算阈值电流（1巾）和外微分量子效率。
2、了解温度（T）对阈值电流（1山）和光功率（P）的影响。
—＞实验内容1、测试在LD/LED的功率一电流（P・I）特性曲线和电压一电流（V・I）特性曲线。
2、测试LD温度特性。
三.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、力用表1台四、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。
因此具具有与普通二极管相类似的V-I特性|11| 线，如图1所示。
图1 LD/LED的V-1特性曲线由V-I曲线我们可以计算Hl LD/LED总的串联电阻R和开门电压V T。
在结构上，由于LED与LD相比没冇光学谐振腔。
因此，LD和LED的功率与电流的P-I关系特性Illi线则有很大的差别。
LED的P・I Illi线基本上是一条近似的线性直线。
图2 LD/LED的P-I特性曲线从图中可以看出LD的P・I曲线有一阈值电流Ith，只有在工作电流【Ph部分,PJ曲线才近似一根直线。
而在IWh部分，LD输出的光功率儿乎为零。
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HD。
具具有如下关系：因此在曲线中，曲线的斜率表征的就是外微分量子效率。
山于光电子器件是山半导体材料制成，因此温度对其光电特性影响也很大。
光电子技术LectureNew12
调制时需要给晶体并联一电感L，L值大小由下式确定：
L
1
m2 C
此时，总阻抗为R>>Rs，所以调制功率能有效加载到晶体上。然而，
光电子技术（12）
此时调制器的最大有效信号带宽为： 1 2RC
（二）、电光调制的渡越时间
前面我们计算相位延迟量或相位调制量时，都是用折射率变化量 乘以调制器的同光方向的长度。这实际上隐含了一个假设：光通 过调制器时，调制电压不变化或光通过晶体所花费的时间，即渡 越时间为零。这个假设仅在低频调制时成立，即光通过调制器期 间调制信号变化很小，可以忽略，即低频近似。然而，高频调制 时，这个近似不成立，通过调制器的总相位变化应该由积分给出：
五、电光调制应用 （一）、强度调制
电光强度调制器结构如图62。设通过起偏器P1后的偏振光振幅为 Ex
光电子技术（12）
进入电光晶体后，分解为Ex’和Ey’两个分量：
Ex' Ex cos
E
y
'
Ex
s in
设通过电光晶体后，Ex’和Ey’两分量的相对相位延迟量为，则 两分量的复振幅为：
Ex' (lz ) Ex cos Ey' (lz ) Ex sinei
光电子技术（12）
（三）、外加电场沿X方向
Ey=Ez=0，椭球方程为：
x2 y2 n02
z2 ne2
2 41Ex yz
1
情况与沿Y方向加电场一样，电光效应太弱，没有使用价值。
结论：KDP晶体仅沿光轴方向施加电场时有显著的电光效应，纵向 应用无自然双折射引起的相位延迟，而横向应用有自然双折射引起 的相位延迟。
n03 63Ezlz
n03 63Vz
光电子学实验 实验讲义(终稿)
目录光学实验基础知识 (1)一、光学实验常用仪器-------------------------------------------1二、光学实验中常用光源----------------------------------------13三、光学仪器的正确使用与维护----------------------------------15实验一脉冲调Q ND：YAG激光器 (17)实验二脉冲ND：YAG激光倍频 (23)实验三共焦球面扫描干涉仪与氦氖激光器光束的模式分析. 27实验四阿贝成像原理和空间滤波 (32)实验五声光调制 (36)实验六电光调制 (44)实验七显微镜的组装与调试 (55)实验八麦克尔逊干涉仪测定空气折射率 (57)实验九偏振光的产生和检测 (60)实验十光栅光谱仪 (66)实验十一掺铒光纤放大器（EDFA）实验 (69)实验十二椭圆偏振仪测量薄膜厚度和折射率 (77)实验十三双光纤MACH-ZEHNDER干涉传感实验 (86)1光学实验基础知识光学是物理学中最古老的一门学科，也是当前学科领域中最活跃的前沿阵地之一，具有强大的生命力和不可估量的发展前途。
它和其它学科一样，也是经过长期的实践，在大量的实验基础上逐步发展和完善的。
虽然它的理论成果、新型光学实验技术的内容十分丰富，但是经典的实验方法仍是现代物理实验最基本的内容，因此，作为基础的光学实验课，学习的重点仍应该是学习和掌握光学实验的基本知识、基本方法以及培养基本的实验技能，通过研究一些基本的光学现象，加深对经典光学理论的理解，提高对实验方法和技术的认识。
一、光学实验常用仪器光学实验仪器可以扩展和改善视角的观察以弥补视角的局限性。
构成光学仪器的主要元件有透镜、反射镜、棱镜、光栅和光阑等，这些元件按不同方式的组合构成了不同的光学系统。
光学仪器可以粗分为助视仪器（放大镜、显微镜、望远镜），投影仪器（放影机、投影仪、放大机、照相机）和分光仪器（棱镜分光系统、光栅分光系统）。
光电子技术LectureNew6
N型掺杂：用高价元素掺杂本征半导体。
光电子技术（6）
P型半导体：P掺杂形成的半导体。以空穴导电，费米能级降低。 N型半导体：N掺杂形成的半导体，以电子导电，费米能级升高。 2、p-n结的形成 由于N型半导体中有富裕的自由电子，而P型半导体中有富裕的自由 的空穴，所以当P型和N型半导体接触时，P型半导体中的空穴就会 向N型中扩散，而N型半导体中的电子向P型中扩散，结果是P型端带 负电，而N型端带正电。因而会形成内建电场，内建电场的方向从N 型端指向P型端，从而又阻止电子和空穴的扩散。最后，依靠电子和 空穴浓度梯度的扩散和内建电场的电作用达到平衡，在接触面附近 形成一个耗尽层，即p-n结。 3、 p-n结的能带图
光电子技术（6）
二、激光的猝灭 由于S1 S0的发射能量与T1 T2的吸收能量接近，所以，如果 有大量染料分子积累在T1态上，发出的激光就会被T1态吸收， 称这种现象为激光猝灭。 消除激光猝灭方法：使溶液富含氧，T1态能量通过氧迅速泄放 返回基态S0。 三、染料激光器的调谐 发展染料激光器的主要目的就是要实现激光波长的调谐。波长 能在几十纳米范围连续可调，这是染料激光的特点或优点。 调谐方法:光栅衍射法或色散频谱上狭缝移动法。
光电子技术（6）
§2.9、半导体激光器 一、固体能带理论 固体中由于大量原子紧密结合，使得单原子的能级分裂为宽的 能带，能带由相距很小的精细能级组成。电子在能带中的分布 形式决定了固体材料的导电性能。如图所示为绝缘体、半导体、 金属的能带结构和电子分布。
1、禁带宽度 指导带底与价带顶之间的能量差，通常用符号Eg表示。 2、费米能级 指绝对零度时全满电子态与全空电子态的能量分界面。或绝对零 度时电子占据的最高能态的能量，用符号EF表示。
光电子技术（6）
光电子技术（6）
P型半导体：P掺杂形成的半导体。以空穴导电，费米能级降低。 N型半导体：N掺杂形成的半导体，以电子导电，费米能级升高。 2、p-n结的形成 由于N型半导体中有富裕的自由电子，而P型半导体中有富裕的自由 的空穴，所以当P型和N型半导体接触时，P型半导体中的空穴就会 向N型中扩散，而N型半导体中的电子向P型中扩散，结果是P型端带 负电，而N型端带正电。因而会形成内建电场，内建电场的方向从N 型端指向P型端，从而又阻止电子和空穴的扩散。最后，依靠电子和 空穴浓度梯度的扩散和内建电场的电作用达到平衡，在接触面附近 形成一个耗尽层，即p-n结。 3、 p-n结的能带图
光电子技术（6）
二、激光的猝灭 由于S1 S0的发射能量与T1 T2的吸收能量接近，所以，如果 有大量染料分子积累在T1态上，发出的激光就会被T1态吸收， 称这种现象为激光猝灭。 消除激光猝灭方法：使溶液富含氧，T1态能量通过氧迅速泄放 返回基态S0。 三、染料激光器的调谐 发展染料激光器的主要目的就是要实现激光波长的调谐。波长 能在几十纳米范围连续可调，这是染料激光的特点或优点。 调谐方法:光栅衍射法或色散频谱上狭缝移动法。
光电子技术（6）
§2.9、半导体激光器 一、固体能带理论 固体中由于大量原子紧密结合，使得单原子的能级分裂为宽的 能带，能带由相距很小的精细能级组成。电子在能带中的分布 形式决定了固体材料的导电性能。如图所示为绝缘体、半导体、 金属的能带结构和电子分布。
1、禁带宽度 指导带底与价带顶之间的能量差，通常用符号Eg表示。 2、费米能级 指绝对零度时全满电子态与全空电子态的能量分界面。或绝对零 度时电子占据的最高能态的能量，用符号EF表示。
光电子技术（6）
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《光电了技术实验》实验讲义光信息教研室2012年9月目录实验一LD/LED 的P-I-V 特性曲线测试............. - 2 -实验二光纤数值孔径测量实验................ - 8 -实验三光源调制与解调实验 (10)实验四电光调制实验 (15)实验五声光调制实验 (19)实验六、APD特性参数的测量 (25)实验一 LD/LED 的P-I-V 特性曲线测试、实验目的1、通过测试LD/LED 的功率一电流（P-I ）特性曲线和电压一电流（V-I ）特性曲线，计算阈 值电流（I th ），掌握LED 发光二极管和LD 半导体激光器的工作特性。
、实验内容1、测试LD/LED 的功率一电流（P-I ）特性曲线和电压一电流（V-I ）特性曲线。
三、 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、 光功率计 1 台 5、 万用表1台四、 实验原理激光器是使工作物质实现粒子数反转分布产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放 大而产生激光振荡的。
激光，其英文 LASER 就是 Light Amplification by StimulatedEmission of Radiatio n（受激辐射的光放大）的缩写。
1、半导体激光器的结构半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体，由于邻近原子的作用，电子所处的能 态扩展成能级连续分布的能带，如下图（a ）所示，能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量 Eu 和价带顶的能量E 之间的能量差E u E l E g 称为禁带宽度或带隙， 不同的半导体材料有不同的带隙。
本征半导体中导带和价带被电子和空穴占据的几率是相同的， N 型半导体导带被电子占据的几率大， P 型半导体价带被空穴占据的几率大。
如下图（ b ）、（c ） 所示。
图1半导体激光器的电子和空穴分布半导体激光器的结构多种多样，基本结构是下图所示的双异质结平面条形结构。
这种结构由 三层不同类型半导体材料构成，中间层通常为厚度为 0.1〜0.3卩m 的窄带隙P 型半导体，称为有 源层，作为工作介质，两侧分别为具有较宽带隙的N 型和P 型半导体，称为限制层。
具有不同带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为异质结。
有源层与右侧的导带• 4 * 4 • • • • • • •*带常 Eg1 E LQ Q O匚|_OQOO o O卒征半导体N 型半导体abN 层之间形成的是 P--N 异质P 型半导体结，而与左侧的P层之间形成的是P--P异质结，故这种结构又称N-P-P双异质结构，简称DH结构。
图2半导体激光器的基本结构施加正向偏压后，就能使右侧的N层向有源层注入电子，左侧的P层向有源层注入空穴，但由于左侧的P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层，同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。
这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在0.1〜0.3卩m的有源层内，形成了粒子数的反转分布。
前后两个晶体解理面作为反射镜构成谐振腔。
给半导体激光器施加正向偏压，即注入电流是维持有源层介质的原子永远保持粒子数的反转分布，自发辐射产生的光子作为激发光子诱发受激辐射，受激辐射产生的更多新光子作为新的激发光子诱发更强的受激辐射。
2、半导体激光器的主要特性(1)输出电压特性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，如下图所示：VV T图3激光器输出V-I特性曲线由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V r o(2)输出光功率特性激光器光功率特性通常用输出光功率与激励电流I的关系曲线，既P—I曲线表示。
图4 LD/LED的P-I特性曲线在结构上，由于LED与LD相比没有光学谐振腔。
因此，LD和LED的功率—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直线。
从图5中可以看出LD的P-I曲线有一阈值电流I th，只有在工作电流l f>l th部分，P-I曲线才近似一根直线。
而在l f<l th部分，LD输出的光功率几乎为零。
给半导体激光器注入电流，就是给激光器有源层半导体工作介质注入能量，对价带上的载流 子（电子）进行激发，当注入电流较小时，导带和价带间载流子不能形成反转分布，这时从导带 上跃迁到价带上的载流子主要以自发辐射为主，产生的是荧光，即非相干光。
当注入电流达到一 定值时，导带和价带间载流子才能形成反转分布，产生受激辐射，激光器才有激光 （即相干光）输出，这个一定值称为阈值电流。
阈值电流以后，随着注入电流的增大，导带和价带间粒子数差值 增大，激光增益系数增大，输出功率增加，并与注入电流近似成线性关系，如下式所示。
式中I f 为注入电流，h 6.628 10 34 J S 为普朗克常数，8c 3 10 m/s 为光速，为入射光波长，e 为电子电量，n D 为外微分量子效率，I th 为阈值电流，P th 为阈值功率。
根据P-I 曲线可以求出激光器的阈值电流I th 和外微分量子效率nD ：将P-I 曲线的线性部分作直线与横坐标相交，交点处的电流值即为激光器的阈值电流；曲线线性部分的斜率为Dhfe由曲线求得斜率，可计算nD O（3）温度特性激光器输出光功率是随温度而变化的， 有两个原因：一是激光器阈值电流I th 随温度升高而增大，二是激光器外微分量子效率nD随温度升高而减小。
温度升高时， I th 增大，n D 减小，输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了。
当以直流电流驱动时，阈值电流 I th 随温度的变化更加明显。
阈值与温度的近似关系可以表示为：I th(T) lth (Tr )exp[(T Tr)仃0】图5 LD 温度特性曲线3、ZY-YSLD3125型激光器我们所用ZY-YSLD3125型半导体激光器是具有多量子阱 F-P 腔激光器LD ,内置背景光探测器 PD,这种激光器使用时具有下图所示四种型式：P P thI f I thhfc—为入射光频率，式中，T r 为室温，Ith （T r ）为室温下的阈值电流， T o 为特征温度。
不同温度下,LD 的 P-I曲线如图3,(T 2>T l )的管是探测器PD 的负（N 与激 光器LD 的负（N 或正（P ）相连，PD-Pside dwon 的管是探测器 PD 的正负（P ）与激光器 LD的负（N ）或正（P ）相连，与激光器 LD 的负（N ））相连的称为DVD 型管，与激光器 LD 的正（P ） 相连的称为 POINT 型管。
所用ZY-YSLD3125型激光器为 PD-N side dwon 的POINT 型管，单模光 参数 符号 测试条件 最小值典型值 最大值 单位 额定功率 Pout Iop=Ith+20.2 一 1 mW 中心波长 入 CW 1290 1310 1330 nm 光谱宽度 △入 CW 一 2 5 nm 阈值电流 Ith CW 一 10 15 mA 工作电流 lop CW 一 Ith+20 一 mA 探测器电流 Im CW 100 一 一 A 探测器暗电流IdCW一一0.1nA图7 LD 引脚说明：1.激光器正&管壳； 2. 激光器负；3.探测器负；4.探测器正。
4、ZY-YSLED3215型 LED 发光二极管参数 符号 测试条件 最小值 典型值 最大值 单位额定功率 Pout I F =60mA 10 一 一 1 W中心波长 入 CW 1280 1310 1350 nm 光谱宽度 △入 CW 一 一 170 nm 工作电压 Vop CW 一 1.2 1.7 V 上升下降时间Tr/T fCW一一3nsPD-1I Side down图6 LD 激光器的四种形式图中，LD 为激光器，PD 为背景光探测器。
PD-N side dwonLDD 切管FOiirr^PB-P Side down管脚说明如下:图8 LED 引脚说明：1.管壳；2.LED 负；3.LED 正5、ZY606 型 LD/ LED 电流源本机为激光二极管（LD ）专用测试设备，可广泛用于 650nm 780nm 808nm 850nm 980nm 1310nm 1550nm 等各种中小功率 LD 的电流测试及老化测试。
设备内部带 APC （Automatic Power Control ）电路及ACC （Automatic Current Control ） 电路，可以实现以下三种功能： 1） LD 电源； 2）lop 及Im 电流测试；3）LD 恒功老化及恒流老化。
4图9仪器前面板操作说明1） 本机只能对 PD-N side down 器，否则会损坏激光器。
2） 本机的一大特色是设备内部带 的LD 进行测量，不能用来测量 PD-P side down 安装的激光APC （Automatic Power Control ）电路，这种电路是 LD 在实际应用时通常采用的一种恒功控制电路。
因此，一只LD 在本机上所表现的直流特性， 将与它在实际应用时的直流特性完全一致。
有了这种恒功控制电路，就可以长期通电对 LD进行寿命及稳定性考核。
从而反映出 LD 在应用产品（如光通信模块、 DVD 激光头等）中工 作时的稳定性。
没有 APC 电路的设备，则不能实现上述功能。
操作步骤1 ）通电之前，确保“粗调” “细调”旋钮在最小值位置。
这样可防止冲击电流损坏 LD 。
2 ）确认LD 或LED 已经插接良好后，打开电源开关。
此时电源输出为零，LD 或LED 尚未发光。
3 ）恒功测量：将切换开关拨到恒功档，顺时针缓慢调节输出功率“粗调”旋钮，LD 射出激光。
改调“细调”旋钮，可将 LD 输出调至要求的数值（用一台光功率计来测量 LD 的输出功率）。
通过Iop 显示窗口可以读出输出电流值， 通过Im 显示窗口可以读出探测电流值。
注意：LED 内部 没有探测器，故不能用恒功档测试，只能用恒流档进行测试。
4 ）恒流测量：将切换开关拨到恒流档，该方式下“细调”旋钮无效， Im 窗口显示读数也无效。
只需要调节输出功率“粗调”旋钮即可，通过Iop 显示窗口可以读出输出电流值。
5）恒功老化：将被测 LD 调到固定的功率输出（这个值由用户根据需要确定） ，并保持不断电，记录该LD 在通电一定时间后工作电流的变化量，从而反映出LD 产品在实际应用中的稳定性。
1356 76）恒流老化：将被测LD调到固定的电流输出（这个值由用户根据需要确定），并保持不断电，记录该LD在通电一定时间后输出功率的变化量，从而反映出LD产品在实际应用中的稳定性。