光纤衰减系数的测量、LED的P-I特性测量

实验1 LED 光源I —P 特性曲线测试发光二极管简称LED （Lifght Emitting Diode ），是目前比较常用的半导体光源。

它的输出光功率（P ）随驱动电流（I ）的变化而变化。

因此测量LED 光源的I —P 特性曲线具有非常重要的理论意义和工程应用意义。

一、实验原理1、LED 光源的结构及发光机理LED 光源是一种固态P —N 结器件，属冷光源，其发光机理是电致发光。

在电场作用下，半导体材料发光是基于电子能级跃迁的原理。

当发光二极管的P —N 结上加有正向电压时，外加电场削弱内建电场，使空间电荷区变窄，裁流子扩散运动加强。

由能带理论可知，当导带中的电子与价带中的空穴复合时，电子由高能级向低能级跃迁，同时电子将多余的能量以光子的形式释放出来，产生电致发光现象。

光子能量大小取决于半导体材料的禁带宽度E g (E g ＝E 1－E 0)，能量越大，发出光波的波长就越短，即gE hc =λ （1-1）其中c 为光速，h 为普朗克常数。

另外，LED 光源发出的光谱有一定的宽度。

这是因为：第一、两个能带都有一定宽度，所以跃迁的起点、终点都有一定范围，导致了光谱具有一定宽度；第二、实际上半导体内的复合是复杂的，除了本征复合（电子直接从导带跃迁到价带，与电子复合，同时发射出光子）之外，还存在导带与杂质能级、价带与杂质能级及杂质能级之间的跃迁。

本实验仪采用的LED 光源中心波长为0.89μm 。

2、PIN 型光电二极管的结构和工作原理光电二极管通常是在反向偏压下工作的光效应探测器。

光电二极管的基本结构是PN 结。

外加反偏电压方向与PN 结内电场方向一致，当PN 结及其附近被光照射时就产生光生载流子，光生载流子在热垒区电场作用下漂移过结，参与导电。

当入射光强变化时，光生载流子浓度及通过外电路的光电流也随之变化，这种变化特性在入射光强很大的范围内保持线性关系，从而保证了光功率在很大范围内与电压有如下线性关系p ＝kU （1-2）其中P 为光功率，U 为PN 结端电压，k 为比例系数。

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。

科技学院课程设计(综合实验)报告( 2020-- 2021 年度第 2学期)名称：光纤通信原理综合实验院系：信息工程系班级：学号：学生姓名：指导教师：杨再旺王劭龙设计周数：1周成绩：日期：2021年6月实验名称实验一： LED的P-I 特性测量实验仪器光功率计、光纤、直流电流源、LED光源同组人实验目的测量数据，描画LED光源PI特性曲线，求出阈值电流实验原理半导体发光二极管的P-I特性曲线理论上是输出功率与注入电流成正比实验内容与步骤实验内容：使用光功率计和LED光源，在温度一定的情况下（保持实验室温度：20℃），通过改变直流电流来观察输出功率的变化，从而绘出P-I特性曲线。

实验步骤：1.用光纤把光功率计和激光器连接，通电。

2.保持温度为定值3.改变电流的数值观察功率计变化4.绘图实验数据：讨论与结论在老师指导下完成本次实验，在记录数据的时候由于机器灵敏度太高而测得的数据不是很准确，但是在误差允许的范围内画出了特性曲线，跟理论结果差不多。

实验名称实验二：光纤通信系统的码型变换、波分复用器的性能测量实验仪器光纤通信原理实验箱、示波器、光功率计，波分复用解复用器同组人实验目的记录CMI编译码波形记录测量波分复用解复用器插损和隔离度实验原理CMI编码原理：CMI编码的编码规则是：用交替的"11"和"00"两位表示基带中的一位"1"；用"01"表示基带中的一位"0"。

波分复用器性能实验原理：光波分复用器是对光波波长进行分离与合成的光器件，其原理如图所示，其中的一个端口作为器件的输出／输入端，而N个端口作为器件的输入／输出端。

当作为对光波波长起合成作用的器件时，从N个端口各自注入不同波长的光信号，在一个端口处将获得按一定光波波长顺序分开的光波信号；当器件作为解复用器时，注入到入射端的各种光波信号，将分别根据其波长的不同，传输到对应的不同出射端口（N个端口之一）．由以上分析可以知道，各端口可以作为输入端口，也可以作为输出端口．实 验 内容 与步骤CMI 编码：1.连接线路，连接示波器 2.分别观察记录原始波形、cmi 编码和译码后的波形。

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。

音频信号光纤传输实验摘要:实验通过对LED-传输光纤组件的电光特性的测量，得出了在合适的偏置电流下，其具有线性。

验证了硅光电二极管可以把传输光纤出射端输出的信号转变成与之成正比的光电流。

AbstracfThe experimental transmission through the LED-fiber components of theelectro-optical properties Measuring obtained at the right bias current, with its linear. Verification of the silicon photodiode fiber can transmit a radio-signal output into with the current proportional to the light.一.前言:1.实验的历史地位:光纤自20世纪60年代问世以来，其在远距离信息传输方面的应用得到了突飞猛进的发展，以光纤作为信息传输介质的“光纤通信”技术，是世界新技术革命的重要标志，也是未来信息社会各种信息网的主要传输工具。

随着光纤通信技术的发展,一个以微电子技术,激光技术,计算机技术呵现代通信技术为基础的超高速宽带信息网将使远程教育.远程医疗.电子商务.智能居住小区越来越普及.光纤通信以其诸多优点将成为现代通信的主流,未来信息社会的一项基础技术和主要手段.2.实验目的了解音频信号光纤传输系统的结构熟悉半导体电光/光电器件的基本性能及主要特性的测试方法了解音频信号光纤传输系统的调试技能3.待解决的几个主要问题:声音是一种低频信号，你可能有这样的经历，当你说话的声音较低时，只有你旁边的人可以听见你的声音，要让声音传的远些你必须大声喊。

这说明了低频信号的传播受周围环境的影响很大，传播的范围有限。

为了解决上述的问题，在通信技术中一般是使用一个高频信号作为载波利用被传输的信号（如音频信号）对载波进行调制。

LED特性及光度测量实验剑邦A8 学号：08323016大学物理科学与工程技术学院光信息科学与技术邮政编码：510275 中国图书馆分类号：O43摘要：通过设计简单的测试装置，并对发光二极管进行V－I特性曲线、P－I特性曲线的测量，了解发光二极管的发光机理、光学特性与电学特性，并掌握其测试方法。

本文记录了红光LED和绿光LED的电流、电压、功率和光通量测量数据，以此研究探讨LED发光器件的发光特性。

关键词：LED V－I特性P－I特性光度Measurement of the characteristics and luminosity ofLEDSujianbang A8 ID: 08323016School of Science and Engineering of SUN YAT-SEN UniversityPostal code: 510275Abstract: This essay study the optical and electric characteristics of LED by measuring it’s V-I curve and P-I curve. In this essay, data of electric current, voltage, power and luminous flux of LED are recorded in order to study its characteristics.Keyword: LED, V-I characteristic, P-I characteristic, luminosity【实验原理】LED 是英文light emitting diode （发光二极管）的缩写，它属于固态光源，其基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护部芯线的作用（如图一）。

常规的发光二极管芯片的结构如图二所示，主要分为衬底，外延层（图2中的N 型氮化镓，铝镓铟磷有源区和P 型氮化镓），透明接触层，P 型与N 型电极、钝化层几部分。

LD和LED的P-I曲线测量一、实训目的1、掌握半导体光源P-I特性曲线测量方法，会寻找阈值电流2、掌握半导体光源与光纤的耦合方法3、了解激光二极管LD和发光二极管LED两种半导体光源的特性二、实训主要设备1．LED、LD光源与驱动电源； 2．耦合装置；3．光纤((F-MLD50：100/140多模光纤)； 4．光功率计和光检测器；5．光纤切割刀 6．显微镜7. 1/4节距自聚焦透镜三、实训原理与说明（一）光源类型光纤通信中最长用的光源是半导体激光器LD（Laser Diode）和半导体发光二极管LED （Light Emliilng Diode），它们都属于半导体器件。

LD和LED相比，其主要区别表现在，前者发出的是激光，而后者发出的是荧光，因此，LD的优点是谱线宽度窄，调制速率高，色散小，与光纤的耦合效率高，传输距离长，适用于长距离、大容量的传输系统；但LED 也有一些优点适合于低成本光通信系统：它的输出特性曲线线性好，使用寿命长，成本低，易于制作，对温度不敏感，适用于短距离、小容量的传输系统。

详细的发光原理及特性参见第四章。

本实验使用的光源是红外器件, LD 发射在近于780nm，LED 中心约在830nm。

因为这些器件发射不可见辐射，适当的防护用于保证消除可能的损害。

决不要直接看激光束或它的反射光束。

（二）GRIN 棒状透镜耦合如果切割抛物线渐变光纤的节距长度的1/4，它就能作为一个非常小的透镜（有时称为GRIN 透镜，Graded Index）用于光纤应用。

（图0.11）将光纤输出端面置于短长度光纤的面上，使得光纤中的光在小透镜末被准直，如同在透镜焦点的发散光被准直一样。

因为它的特征是由其长度决定的，这个渐变折射率透镜被认为是1/4节距或0.25 节距透镜。

在某些情况下，不需要光准直，而是需要光纤输出聚焦到一个小探测器上或把光源输出聚焦到光纤芯中。

完成这种情况最容易的方法是稍微增加GRIN 透镜的长度到0.29 节距（图0.11）。

实验二 发光二极管P-I 特性测试实验一、实验目的1、学习发光二极管的发光原理2、了解发光二极管平均输出光功率与注入电流的关系3、掌握发光二极管P （平均发送光功率）-I （注入电流）曲线的测试二、实验内容1、测量发光二极管平均输出光功率和注入电流，并画出P-I 关系曲线2、根据P －I 特性曲线，计算发光二极管斜率效率三、预备知识1、了解发光二极管与半导体激光器的异同点四、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、850nm 光发端机（HFBR-1414T ） 1个4、ST/PC-FC/PC 多模光跳线 1根5、万用表 1台6、连接导线20根五、实验原理半导体光源主要有半导体发光二极管（LED ）和半导体激光器（LD ）两种。

LD 已经在上一个实验介绍过，本实验主要是介绍LED 。

发光二极管（LED ）结构简单，是一个正向偏置的PN 同质节，电子-空穴对在耗尽区辐射复合发光，称为电致发光。

发光二极管（LED ）发射的不是激光，输出功率较小、具有较宽的谱宽（30～60nm ）、发射角较大（≈100°）、与光纤的耦合效率较低。

其优点是：寿命很长，理论推算可达108至1010小时，其次是受温度影响较小，输出光功率与注入电流的线性关系较好，价格也比较便宜，驱动电路简单，不存在模式噪声等问题。

半导体发光二极管（LED ）可以做为中短距离、中小容量的光纤通信系统的光源。

对于发光二极管（LED ）而言，自发辐射产生的功率是由正向偏置电压产生的注入电流提供的，当注入电流为I ，工作在稳态时，电子-空穴对通过辐射和非辐射复合，其复合率等于载流子注入率I q ，其中发射电子的复合率决定于内量子效率int η，光子产生率为)/(int q I η，因此LED 内产生的光功率为Iq P )/(int int ωη =（2-1）式中，ω 为光量子能量。

假定所有发射的光子能量近似相等，并设从LED 逸出的功率内部产生功率的份额为ext η，则LED 的发射功率为Iq P P ext ext e )/(int int ωηηη ==（2-2）ηext 亦称为外量子效率。